CN112448006A - 膜电极组件及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供膜电极组件及其封装方法。所述膜电极组件包括：电解质膜；电极层，其包括阳极和阴极，所述阳极和所述阴极分别覆盖所述电解质膜的两侧；气体扩散层，其附着在所述电极层的所述阳极和所述阴极上，其中，所述气体扩散层包括至少一个边缘弯曲气体扩散层；以及双极板，其覆盖在所述气体扩散层上。根据本发明的膜电极组件及其封装方法，能够避免刺穿电解质膜，增加燃料电池的使用寿命。

Description

膜电极组件及其封装方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及膜电极组件及其封装方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池包括位于两个极性不同的电极之间的质子导电电解质膜。气态或液态燃料在阳极被氧化产生氢离子。这些离子然后通过电解质膜被传输至阴极，在阴极与来自空气的氧气以及经由外电路来自阳极的电子结合产生电流和水。
整个膜电极组件(MEA，membrane electrode assembly)包括几个组成部分。电解质膜夹在两个不同极性和功能的电极之间。电极微观结构是多孔特性并能够在电极层中运输燃料气体以及运输电化学反应中产生的水。最后，将另外两个微多孔层置于每一个电极上，这两个微多孔层被称为气体扩散层(GDL,gas diffusion layer)。气体扩散层具有导电特性，也有助于重新分配待被电极层利用的燃料气体。
构造膜电极组件可包括：将电极层涂抹在电解质膜的两侧，所形成的结构可称为催化剂涂膜(CCM,catalyst coated membrane)，然后将在催化剂涂膜的两侧分别放置一个气体扩散层，从而形成膜电极组件。还具有其他形成膜电极组件的方式，例如首先将电极层涂抹在气体扩散层上，然后将电解质膜夹在两个涂有电极层的气体扩散层中，获得一个五层的膜电极组件结构。膜电极组件两侧加双极板，构成一个燃料电池单电池，多个单电池层叠组成燃料电池堆。双极流场一般用于促使气体经由气体扩散层传输至电极，并带出电化学反应中产生的水。
气体扩散层通常由一侧涂有碳浆的碳纤维布制造而成。这些基于碳的气体扩散层在电化学环境下很容易被腐蚀。为了解决该问题，研究人员发现并利用金属网或泡沫金属形式的气体扩散层。当金属气体扩散层被切割至合适的形状，非常锐利的边缘被暴露出来，很有可能刺穿电解质膜。对此，现有技术中主要通过树脂型材料围绕气体扩散层的边缘，覆盖气体扩散层的锐利边缘，从而防止气体扩散层刺穿电解质膜。
发明内容
相对于燃料电池堆的其他组成部分，电解质膜非常薄，能够很容易被刺穿。膜电极组件中的气体扩散层的连接或附着，尤其是金属气体扩散层膜的连接或附着是复杂的任务，容易使得气体扩散层的边缘在堆压缩压力下刺穿电解质膜。针对上述现有技术中存在的问题，本发明拟提出一种新型的膜电极组件及其封装方法，旨在解决电解质膜容易被刺穿的问题。
根据本发明的一个实施例，提供一种膜电极组件，包括：
电解质膜；
电极层，其包括阳极和阴极，所述阳极和所述阴极分别覆盖所述电解质膜的两侧；
气体扩散层，其附着在所述电极层的所述阳极和所述阴极上，其中，所述气体扩散层包括至少一个边缘弯曲气体扩散层；以及
双极板，其覆盖在所述气体扩散层上。
根据本发明的另一个实施例，提供一种膜电极组件封装方法，其包括：
将电极层涂敷在电解质膜的两侧；
将双极板覆盖在所述边缘弯曲气体扩散层上，形成GDL-双极板结构；以及
将所述GDL-双极板结构覆盖在所述电极层上。
根据如上所述的膜电极组件及其封装方法，能够避免刺穿电解质膜，增加燃料电池的使用寿命。
为进一步清楚解释本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
下面结合附图说明本发明的实施例。附图中：
图1是现有技术中气体扩散层的结构图和截面图。
图2是根据本发明实施例的气体扩散层的结构图和截面图。
图3是根据本发明实施例的边缘弯曲气体扩散层的形成示意图。
图4是根据本发明实施例的膜电极组件的结构示意图。
图5是根据图4所示的膜电极组件中的气体扩散层和双极板的结构示意图。
图6为根据本发明实施例的膜电极组件的封装方法的流程图。
图7是根据本发明实施例的在边缘弯曲气体扩散层上覆盖双极板的示意图。
附图标记说明：
011-常规气体扩散层 012-常规气体扩散层的截面 013-本发明的气体扩散层014-冲击装置
100-电解质膜 111-阳极 112-阴极 113-第一边缘弯曲气体扩散层 114-第二边缘弯曲气体扩散层 130-第一双极板 131-第二双极板 10-框件 101-第一框件基层 102-第二框件基层 103-第一框件附着层 104-第二框件附着层120，121-密封剂 140、141-凹槽
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在本发明的实施例中，通过在膜电极组件中采用边缘弯曲的气体扩散层，能够避免刺穿电解质膜，增加燃料电池的使用寿命；并且，在膜电极组件中采用的框件，在避免刺穿电解质膜的同时，补偿制造公差。
图1是现有技术中气体扩散层的结构图和截面图。图2是根据本发明实施例的气体扩散层的结构图和截面图。
如图1所示，011为常规气体扩散层的结构图，012为常规气体扩散层011的截面图。如图2所示，013为根据本发明实施例的气体扩散层的结构图，113为根据本发明实施例的气体扩散层013的截面图。气体扩散层的材料包括金属材料，该金属材料可以是金属网形式、泡沫金属形式或多孔属板形式。
将图1与图2相比，可以看出，常规气体扩散层011基本为一个平面，而根据本发明实施例的气体扩散层013的平面外边缘是弯曲的，即弯曲一定的长度，该弯曲的长度优选地为2mm。将这种外边缘是弯曲气体扩散层称为边缘弯曲气体扩散层。
这种边缘弯曲气体扩散层的设计，能够防止气体扩散层被切割至合适的形状后，锐利的边缘刺穿电解质膜。
图3是根据本发明实施例的边缘弯曲气体扩散层的形成示意图。如图3所示，011可以为一种常规气体扩散层，014为一种冲击装置，气体扩散层011在冲击装置014的冲击下，边缘部分形成弯曲，从而形成边缘弯曲气体扩散层113。
应当理解，图3只是形成边缘弯曲气体扩散层的一种方式，本领域技术人员在本申请实施例的教示下，能够想到其他形成缘弯曲气体扩散层的方式，所有这些方式都属于本申请包含的范围。
图4是根据本发明实施例的膜电极组件的结构示意图。如图4所示，膜电极组件包括电解质膜100和电极层，其中电极层包括阳极111和阴极112。阳极111和阴极112分别覆盖电解质膜100的两侧。膜电极组件还包括边缘弯曲气体扩散层，其附着在电极层包括阳极111和/或阴极112。在优选的实施例中，边缘弯曲气体扩散层包括第一边缘弯曲气体扩散层113和第二边缘弯曲气体扩散层114，第一边缘弯曲气体扩散层113附着在阳极111上，第二边缘弯曲气体扩散层114附着在阴极112上。该膜电极组件还包括双极板，其附着于边缘弯曲气体扩散层。在另一个优选的实施例中，双极板包括第一双极板130和第二双极板131，第一双极板130附着于第一边缘弯曲气体扩散层113上，第二双极板131附着于第二边缘弯曲气体扩散层114上，第一双极板130和第二双极板131用于夹持第一边缘弯曲气体扩散层113和第二边缘弯曲气体扩散层114。
膜电极组件中的这种边缘弯曲气体扩散层的设计，能够防止气体扩散层被切割至合适的形状后，锐利的边缘刺穿电解质膜。
在一个可选的实施例中，边缘弯曲气体扩散层和双极板之间还可包含填充组件(图中未示出)，例如，在第一边缘弯曲气体扩散层113和第一双极板130之间以及/或者第二边缘弯曲气体扩散层114和第二双极板131还可包含填充组件(图中未示出)，该填充组件包括间隔物和/或金属片，其中，间隔物包括多孔金属板，金属或石墨泡沫、织物或焊接金属丝网、或钢板网等材料。
进一步地，如图4所示，该膜电极组还可包括框件10，该框件包括第一框件基层101和第二框件基层102以及第一框件附着层103和第二框件附着层104。第一框件基层101和第二框件基层102覆盖电解质膜100和电极层的边缘的两侧，分别用于夹持电解质膜100和电极层的阳极111、阴极112。在一个优选的实施例中，如图3所示，电解质膜的长度长于电极层的长度，第一框件基层101和第二框件基层102覆盖电解质膜和电极层的边缘。在另一个优选实施例中，第一框件基层101和第二框件基层102覆盖电极层的边缘的长度为3mm。第一框件附着层103和第二框件附着层104用于将第一框件基层101和第二框件基层102固定在电解质膜和电极层上。
如图4所示，第一边缘弯曲气体扩散层113和第二边缘弯曲气体扩散层114位于两个框件10之间。
根据如上所述的实施例，框件被应用在电极板和电解质膜，对电极板和电解质膜起到固定的作用，保护电解质膜不被刺穿，并补偿制造公差。
更进一步地，膜电极组件还可包括密封剂120、121，用于密封框件10与双极板130、131之间的空隙，如图4所示，密封剂120和121分别用于密封框件10与第一双极板130和第二双极板131之间的空隙。
图5是根据图4所示的膜电极组件中的气体扩散层和双极板的结构示意图。如图5所示，双极板131中具有一个或多个凹槽141。边缘弯曲气体扩散层114的边缘弯曲设置于双极板131的凹槽141中。在一个优选实施例中，在装配线中将气体扩散层固定在双极板之前，可在凹槽141中注入填充剂，包括环氧树脂等材料。
根据上述膜电极组件，能够避免刺穿电解质膜，增加燃料电池的使用寿命，补偿制造公差。
接下来，本发明还一种膜电极组件的封装方法。图6为根据本发明实施例的膜电极组件的封装方法的流程图。
如图6所述，膜电极组件的封装方法包括如下步骤：
S101，将电极层涂敷在电解质膜的两侧。
如上所述，所述电极层包括阳极111和阴极112，阳极涂敷在电解质膜100的一侧，阴极涂敷的电解质膜100的另一侧。涂有电极层的电解质膜100所形成的结构可称为催化剂涂膜(CCM)。
S102，将双极板覆盖在边缘弯曲气体扩散层上，形成GDL-双极板结构。
如上所述，在一个优选的实施例中，双极板包括第一双极板130和第二双极板131，第一双极板130用于附着第一边缘弯曲气体扩散层113，第二双极板131用于附着于第二边缘弯曲气体扩散层114。第一双极板130和第二双极板131用于夹持第一边缘弯曲气体扩散层113和第二边缘弯曲气体扩散层114。
图7是根据本发明实施例的在边缘弯曲气体扩散层上覆盖双极板的示意图。如图7所示，边缘弯曲气体扩散层114固定在双极板131中，双极板131包括凹槽141，边缘弯曲气体扩散层114的边缘弯曲设置于双极板131的凹槽141中。边缘弯曲气体扩散层114与双极板131固定在一起形成GDL-双极板结构，所形成的GDL-双极板结构与电解质膜层以及电极层相互附着或固定，共同形成膜电极组件。在一个优选实施例中，在装配线中将气体扩散层固定在双极板之前，可在凹槽141中注入填充剂，其包括环氧树脂等材料。
在一个可选的实施例中，边缘弯曲气体扩散层和双极板之间还可包含填充组件(图中未示出)，例如，第一边缘弯曲气体扩散层113和第一双极板130之间以及/或者第二边缘弯曲气体扩散层114和第二双极板131还可包含填充组件(图中未示出)，该填充组件包括间隔物和/或金属片，其中，间隔物包括多孔金属板，金属或石墨泡沫、织物或焊接金属丝网、或钢板网等材料。在边缘弯曲气体扩散层上固定双极板的步骤还包括：将填充组件覆盖边缘弯曲气体扩散层，以及将双极板覆盖填充组件的子步骤。
S103，将GDL-双极板结构覆盖在电极层上。
如上所述，本发明的边缘弯曲气体扩散层的平面外边缘是弯曲的。并且，在一个优选的实施例中，边缘弯曲气体扩散层包括第一边缘弯曲气体扩散层113和第二边缘弯曲气体扩散层114，第一边缘弯曲气体扩散层113附着在电极层的阳极111上，第二边缘弯曲气体扩散层114附着在电极层阴极112上。
进一步地，膜电极组件的封装方法还包括如下步骤：
S104，将框件附着在电解质膜和电极层边缘的两侧。
如图4所示，框件包括第一框件基层101和第二框件基层102以及第一框件附着层103和第二框件附着层104。第一框件基层101和第二框件基层102覆盖电解质膜100和电极层的边缘的两侧，分别用于夹持电解质膜100和电极层的阳极111、阴极112。在另一个优选实施例中，第一框件基层101和第二框件基层102覆盖电极层的边缘的长度为3mm。第一框件附着层103和第二框件附着层104用于将第一框件基层101和第二框件基层102固定在电解质膜和电极层上。
S105，将密封剂填充在框件与双极板之间。
膜电极组件还可包括密封剂120、121，用于密封框件10与双极板130、131之间的空隙，如图4所示，密封剂120和121分别用于密封框件10与第一双极板130和第二双极板131之间的空隙。
需要理解的是，上述步骤S101至S105不是表示膜电极组件封装方法所必须遵循的步骤顺序，而是根据实际需要，这些步骤的顺序是可以调换和调整的。例如，步骤S104可以在步骤S102之前，即在将框件附着在电解质膜和电极层的边缘之后，再在电极层上覆盖边缘弯曲气体扩散层，等等。步骤S101至S105的目的在于形成本申请的膜电极组件，只要能够形成本申请的膜电极组件，本领域技术人员根据发明启示想到的任何封装方法，都属于本申请涵盖的范围。
根据上述封装方法形成的膜电极组件，能够避免刺穿电解质膜，增加燃料电池的使用寿命，补偿制造公差。
需要说明的是，本申请中所述的“之上”、“覆盖”、“附着”等术语只是用于表示组件之间的位置关系，在这些术语的修饰下，本领域技术人员能够理解根据具体的情形，这些组件之间的可能是直接接触的，也可能是不是直接接触，而是组件之间具有其他组件或材料。
最后应说明的是：以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种膜电极组件，其特征在于，包括：
电解质膜；
电极层，其包括阳极和阴极，所述阳极和所述阴极分别覆盖所述电解质膜的两侧；
气体扩散层，其附着在所述电极层的所述阳极和所述阴极上，其中，所述气体扩散层包括至少一个边缘弯曲气体扩散层；以及
双极板，其覆盖在所述气体扩散层上。
2.如权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，还包括框件，所述框件包括第一框件基层和第二框件基层以及第一框件附着层和第二框件附着层，其中，所述第一框件基层和所述第二框件基层覆盖所述电解质膜和所述电极层边缘的两侧，用于夹持所述电解质膜和所述电极层；所述第一框件附着层和所述第二框件附着层将所述第一框件基层和所述第二框件基层固定在所述电解质膜和所述电极层上。
3.如权利要求1或2所述的膜电极组件，其特征在于，所述边缘弯曲气体扩散层的边缘向所述双极板的一侧弯曲。
4.如权利要求1或2所述的膜电极组件，其特征在于，所述双极板包括凹槽，所述边缘弯曲气体扩散层的边缘弯曲设置于所述双极板的所述凹槽中。
5.如权利要求1或2所述的膜电极组件，其特征在于，所述边缘弯曲气体扩散层包括第一边缘弯曲气体扩散层和第二边缘弯曲气体扩散层，所述第一边缘弯曲气体扩散层附着在所述阳极上，所述第二边缘弯曲气体扩散层附着在所述阴极上。
6.如权利要求5所述的膜电极组件，其特征在于，所述双极板包括第一双极板和第二双极板，所述第一双极板附着于所述第一边缘弯曲气体扩散层上，所述第二双极板附着于所述第二边缘弯曲气体扩散层上。
7.一种膜电极组件封装方法，其特征在于，包括：
将电极层涂敷在电解质膜的两侧；
将双极板覆盖在所述边缘弯曲气体扩散层上，形成GDL-双极板结构；以及
将所述GDL-双极板结构覆盖在所述电极层上。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：将框件附着在所述电解质膜和所述电极层边缘的两侧。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述双极板具有凹槽，所述将双极板覆盖在所述边缘弯曲气体扩散层上的步骤包括：将所述边缘弯曲气体扩散层的边缘弯曲设置于所述双极板的所述凹槽中。
10.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述边缘弯曲气体扩散层和所述双极板之间还包括填充组件，所述将双极板覆盖在所述边缘弯曲气体扩散层上的步骤包括：将所述填充组件覆盖所述边缘弯曲气体扩散层，以及将所述双极板覆盖所述填充组件。
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