CN112563545B - 质子交换膜燃料电池的膜电极组及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种质子交换膜燃料电池的膜电极组，具有催化剂涂布薄膜、及位于薄膜两侧的阶梯状边框组与气体扩散层，利用阶梯状边框组具有不同孔径的内框及外框的特性，使得两侧的气体扩散层搭设于内框外表面并夹持于薄膜两侧，藉由内框的固定厚度与孔径，来控制气体扩散层与薄膜之间的空隙，以控制气体扩散层和催化剂涂布薄膜之间的接触电阻为最小，并利用内框及外框的搭配来提供足够的边框刚性，则使本发明的结构能提供兼具组装便利及低接触电阻的特点。

Description

质子交换膜燃料电池的膜电极组及其组装方法

技术领域

本发明为一种膜电极组，是指一种用于质子交换膜燃料电池的膜电极组。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell)为现有技术中其中一种燃料电池，其膜电极组(MEA，Membrane Electrode Assembling)一般由内而外具有质子交换膜(PEM，Proton Exchange Membrane)、阳极/阴极催化剂层及气体扩散层(GDL，Gas Diffusion Layer)，气体通过气体扩散层到达阳极催化剂层，经阳极催化剂层作用而反应为氢离子及电子，氢离子通过质子交换膜抵达另一侧的阴极催化剂层，电子则经阳极的导电板收集，并因电位差而流向阴极的导电板，故而形成电流。

由于质子交换膜的厚度越大，则放电时的阻抗越大，故现有技术中无不追求使质子交换膜越薄越好，以提高放电效能。然而，质子交换膜的厚度越薄，将导致其本身的强度下降，当进行膜电极组的组装时，质子交换膜容易在过程中被拉伸、穿刺而造成损坏。在专利CN103119711A号公开文件中，虽然已提出利用设置边框于质子交换膜边缘来提高膜电极组的强度，且组装时不影响主要的活性区域，但采用此方法时，气体扩散层须设法固定在活性区周边的边框上，如此一来将增加气体扩散层与催化剂层和质子交换膜的组合之间的接触电阻，但若采用薄形边框来减少接触电阻，则会增加边框组装的困难度。

发明内容

有鉴于此，本发明在加强膜电极组强度且减少接触电阻的前提下，改善前述组装上的问题。

为达到上述发明目的，本发明提供一种一种质子交换膜燃料电池的膜电极组，其包括：

一催化剂涂布薄膜；

二阶梯状边框组，其分别设于该催化剂涂布薄膜的两侧的边缘，该催化剂涂布薄膜夹持于所述阶梯状边框组之间，各阶梯状边框组包含一内框及一外框，该内框具有一第一孔，该外框具有一第二孔，该第一孔的宽度小于该第二孔的宽度；

二气体扩散层，其分别设于该催化剂涂布薄膜的两侧，该催化剂涂布薄膜夹持于所述气体扩散层之间，且所述气体扩散层设置于所述第一孔与所述第二孔中，所述气体扩散层搭接于所述内框的外表面。

另一方面，本发明亦提供一种组装质子交换膜燃料电池的膜电极组的方法，其包含以下步骤：

组装多个阶梯状边框组：提供一内框，再将一外框设置于该内框的外表面，该内框具有一第一孔，该外框具有一第二孔，该内框的第一孔的宽度小于该外框的第二孔的宽度，重复所述步骤以组装多个阶梯状边框组；

设置一气体扩散层：取其中一阶梯状边框组，设置一气体扩散层于该阶梯状边框组中，将该气体扩散层设置于该外框的第二孔中，并贴靠于该外框的第二孔的内壁面；

设置一催化剂涂布薄膜：将一催化剂涂布薄膜设置于该气体扩散层及该内框上；

设置另一阶梯状边框组：将另一阶梯状边框组压合于该催化剂涂布薄膜上，以将该催化剂涂布薄膜夹持于两个阶梯状边框组之间；

设置另一气体扩散层：将另一气体扩散层设置于该另一组阶梯状边框组的外框的第二孔中，并贴靠于该外框的第二孔的内壁面；

进行压合制程：对所述气体扩散层进行压合，使所述气体扩散层分别延伸入所述阶梯状边框组的内框的第一孔中，并搭接于所述内框的外表面，且夹持于该催化剂涂布薄膜的两侧。

另一方面，本发明亦提供一种组装质子交换膜燃料电池的膜电极组的方法，其包含以下步骤：

组装多个阶梯状边框组：提供一内框，再将一外框设置于该内框的外表面，该内框具有一第一孔，该外框具有一第二孔，该内框的第一孔的宽度小于该外框的第二孔的宽度，重复所述步骤以组装多个阶梯状边框组；

设置一催化剂涂布薄膜：取其中一阶梯状边框组，将一催化剂涂布薄膜设置于该内框上；

设置另一阶梯状边框组：将另一阶梯状边框组压合于该催化剂涂布薄膜上，以将该催化剂涂布薄膜夹持于两个阶梯状边框组之间；

设置二气体扩散层：设置二个气体扩散层分别于该二个阶梯状边框组中，将所述气体扩散层分别设置于对应的外框的第二孔中，并贴靠于对应的外框的第二孔的内壁面；

进行压合制程：对所述气体扩散层进行压合，使所述气体扩散层分别延伸入所述阶梯状边框组的内框的第一孔中，并搭接于所述内框的外表面，且夹持于该催化剂涂布薄膜的两侧。

另一方面，本发明亦提供一种组装质子交换膜燃料电池的膜电极组的方法，其包含以下步骤：

提供一第一内框，该第一内框具有一第一孔；

设置一催化剂涂布薄膜于该第一内框上；

提供一第二内框，由该催化剂涂布薄膜的另一侧设置于其中，以将该催化剂涂布薄膜夹设于该第一内框与该第二内框之间，该第二内框具有一第一孔；

提供一第一外框，将该第一外框设置于该第一内框的外表面，该第一外框具有一第二孔，该第一内框的第一孔的宽度小于该第一外框的第二孔的宽度；

提供一第二外框，将该第二外框设置于该第二内框的外表面，该第二外框具有一第二孔，该第二内框的第一孔的宽度小于该第二外框的第二孔的宽度；

提供一第一气体扩散层，将该第一气体扩散层设置于该第一外框的第二孔中，并贴靠于该第一外框的第二孔的内壁面；

提供一第二气体扩散层，将该第二气体扩散层设置于该第二外框的第二孔中，并贴靠于该第二外框的第二孔的内壁面；

进行压合制程：对该第一气体扩散层及该第二气体扩散层进行压合，使该第一气体扩散层延伸入该第一内框的第一孔中且搭接于该第一内框的外表面，并使该第二气体扩散层延伸入该第二内框的第一孔中且搭接于该第二内框的外表面，则该催化剂涂布薄膜夹持于该第一气体扩散层及该第二气体扩散层之间。

本发明的优点在于，藉由气体扩散层搭接于薄形内框的外表面的特性，利用内框的固定厚度与突出长度来将气体扩散层与催化剂涂布薄膜之间的空隙降至最低，来降低设置边框时所增加于气体扩散层和催化剂涂布薄膜之间的接触电阻，并利用内框及外框的搭配来提供足够的边框刚性，则使本发明的结构能提供兼具组装便利及低接触电阻的特点。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的侧视剖面图；

图2为本发明的俯视剖面图；

图3A为本发明的组装方法的第一实施例的步骤1的侧视剖面图；

图3B为本发明的组装方法的第一实施例的步骤1的俯视剖面图；

图4A为本发明的组装方法的第一实施例的步骤2的侧视剖面图；

图4B为本发明的组装方法的第一实施例的步骤2的俯视剖面图；

图5A为本发明的组装方法的第一实施例的步骤3的侧视剖面图；

图5B为本发明的组装方法的第一实施例的步骤3的仰视剖面图；

图6A为本发明的组装方法的第一实施例的步骤4的侧视剖面图；

图6B为本发明的组装方法的第一实施例的步骤4的俯视剖面图；

图7A为本发明的组装方法的第一实施例的步骤5的侧视剖面图；

图7B为本发明的组装方法的第一实施例的步骤5的俯视剖面图；

图8A为本发明的组装方法的第一实施例的步骤6的侧视剖面图；

图8B为本发明的组装方法的第一实施例的步骤7的侧视剖面图；

图9A及9B为本发明的组装方法的第二实施例的部份步骤的侧视剖面图；

图10A至10C为本发明的组装方法的第三实施例的部份步骤的侧视剖面图。

其中，附图标记：

10催化剂涂布薄膜 20、20a、20b阶梯状边框组

21内框 211第一孔

212外表面 213内壁面

22外框 221第二孔

222内壁面 30气体扩散层

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

以下配合附图及本发明的实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段，其中附图仅为了说明目的而已被简化，并通过描述本发明的元件和组件之间的关系来说明本发明的结构或方法发明，因此，图中所示的元件不以实际数量、实际形状、实际尺寸以及实际比例呈现，尺寸或尺寸比例已被放大或简化，藉此提供更好的说明，已选择性地设计和配置实际数量、实际形状或实际尺寸比例，而详细的元件布局可能更复杂。

请参阅图1及图2所示，本发明包含有一催化剂涂布薄膜10、二阶梯状边框组20及二气体扩散层30。

该催化剂涂布薄膜10包含有一质子交换膜及其两侧的催化剂层。

所述阶梯状边框组20分别设于该催化剂涂布薄膜10的两侧的边缘，以夹持该催化剂涂布薄膜10于所述阶梯状边框组20之间，各阶梯状边框组20包含一内框21及一外框22，该内框21具有一第一孔211，该外框22具有一第二孔221，该第一孔211与该第二孔221重叠以露出该催化剂涂布薄膜10的大部区域，该第一孔211的宽度小于该第二孔221的宽度，则使得内框21的内侧缘较外框22的内侧缘突出一第一长度L，在一实施例中，第一长度L可为0.5至10毫米(mm)，而该内框21的厚度H可为10至50微米(μm)。在一实施例中，所述内框21与所述外框22的材料可为烃类聚合物、氟碳聚合物、橡胶、或其他热塑、热固性塑料，例如：PET、PEN、PI、PTFE等；或者具网状纤维网为骨干的强化高分子材料，而用以黏着内框21与外框22、或黏着内框21与催化剂涂布薄膜10的黏着剂可为热塑、热固树脂、压敏黏着剂、热熔黏着剂等材料，前述材料仅为例示说明，本发明并不限于此。在一实施例中，所述内框21须选用较相容于该催化剂涂布薄膜10的材料，而所述内框21可采用与所述外框22不同的材料。

所述气体扩散层30分别设于该催化剂涂布薄膜10的两侧，以夹持该催化剂涂布薄膜10于所述气体扩散层30之间，且所述气体扩散层30设置于所述第一孔211与所述第二孔221中，所述气体扩散层30搭接于所述内框21的外表面212，并贴靠于所述外框22的第二孔221的内壁面222。

则藉由气体扩散层30搭接于内框21的外表面212的结构，使得气体扩散层30夹持催化剂涂布薄膜10的力可分散于内框21上，以避免应力集中现象的产生，则使得设置阶梯状边框组20不对催化剂涂布薄膜10的构造形成不良影响，而达到在不对催化剂涂布薄膜10造成损坏的前提下，仍能提高膜电极组整体强度的目的。

进一步而言，由于气体扩散层30搭接于内框21的外表面212的设计，则无可避免的将在内框21的第一孔211的内壁面213与位于第一孔211中的气体扩散层30之间形成一间隙G，该间隙G虽减少了该气体扩散层30与该催化剂涂布薄膜10的接触面积，但可透过有效控制该内框21的厚度H以及该第一长度L来将该间隙G的影响降至最低，因膜电极组的整体厚度将可能视不同应用而需要不同厚度的膜电极组，则此时膜电极组整体所需的厚度可由调整外框22的厚度来加以改变，而不需改变该内框21的厚度H以及该第一长度L。再者，在量产化的考量下，外框22的厚度可标准化，则可藉由堆迭多个外框22来达成所需的膜电极组的厚度。

本发明的组装方法包含以下步骤：

首先，提供一内框21(如图3A及图3B所示)，再将一外框22设置于内框21的外表面212(如图4A及图4B所示)，重复前述步骤以制作多个阶梯状边框组20备用。欲组装膜电极组成品时，取一组阶梯状边框组20a中设置一气体扩散层30(如图5A及图5B所示)，该气体扩散层30设置于该外框22的第二孔221中，并贴靠于该外框22的第二孔221的内壁面222。接着再将一催化剂涂布薄膜10设置于该气体扩散层30及该内框21上(如图6A及图6B所示)，并将另一阶梯状边框组20b压合于该催化剂涂布薄膜10上(如图7A及图7B所示)，以将该催化剂涂布薄膜10夹持于两个阶梯状边框组20a、20b之间，再将另一气体扩散层30设置于该另一组阶梯状边框组20b的外框22的第二孔221中(如图8A所示)，以将该催化剂涂布薄膜10夹持于所述气体扩散层30之间。最后进行压合制程，使两侧的气体扩散层30经压合后变形延伸入该内框21的第一孔211中，且所述气体扩散层30搭接于该内框21的外表面212，则使得气体扩散层30进一步夹持于该催化剂涂布薄膜10的两侧(如图8B所示)。在一实施例中，依据所使用的黏着剂性质而决定压合时采取热压制程或冷压制程。

前述的组装方法的优点在于藉由预先完成阶梯状边框组20的结构，组装时仅须进行催化剂涂布薄膜10及气体扩散层30的贴附作业、及气体扩散层30的压合作业即可，则可简化组装制程而提高组装便利性。

采用预先成形阶梯状边框组20的制法亦可如图9A及图9B所示，先将预先成形的两个阶梯装边框组20a、20b与催化剂涂布薄膜10组装后，再与气体扩散层30加以组装，并进行压合作业。

另一方面，亦可如图10A至图10C所示，不预先成形阶梯状边框组20而系由内而外将催化剂涂布薄膜10先与内框21结合、再组装外框22及气体扩散层10，最后再进行压合作业，亦能完成本发明的膜电极组的组装作业。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种质子交换膜燃料电池的膜电极组，其特征在于，包括：

一催化剂涂布薄膜；

二阶梯状边框组，其分别设于该催化剂涂布薄膜的两侧的边缘，该催化剂涂布薄膜夹持于所述阶梯状边框组之间，各阶梯状边框组包含一内框及一外框，该内框具有一第一孔，该外框具有一第二孔，该第一孔的宽度小于该第二孔的宽度，所述内框的内侧缘较所述外框的内侧缘突出一第一长度，所述第一长度为0.5至10毫米，所述内框的厚度为10至50微米；

二气体扩散层，其分别设于该催化剂涂布薄膜的两侧，该催化剂涂布薄膜夹持于所述气体扩散层之间，且所述气体扩散层设置于所述第一孔与所述第二孔中，所述气体扩散层搭接于所述内框的外表面。

2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的膜电极组，其特征在于，所述气体扩散层贴靠于所述外框的第二孔的内壁面。

3.一种组装质子交换膜燃料电池的膜电极组的方法，其特征在于，包含以下步骤：

组装多个阶梯状边框组：提供一内框，再将一外框设置于该内框的外表面，该内框具有一第一孔，该外框具有一第二孔，该内框的第一孔的宽度小于该外框的第二孔的宽度，重复所述步骤以组装多个阶梯状边框组；

设置一气体扩散层：取其中一阶梯状边框组，设置一气体扩散层于该阶梯状边框组中，将该气体扩散层设置于该外框的第二孔中，并贴靠于该外框的第二孔的内壁面；

设置一催化剂涂布薄膜：将一催化剂涂布薄膜设置于该气体扩散层及该内框上；

设置另一阶梯状边框组：将另一阶梯状边框组压合于该催化剂涂布薄膜上，以将该催化剂涂布薄膜夹持于两个阶梯状边框组之间；

设置另一气体扩散层：将另一气体扩散层设置于该另一组阶梯状边框组的外框的第二孔中，并贴靠于该外框的第二孔的内壁面；

进行压合制程：对所述气体扩散层进行压合，使所述气体扩散层分别延伸入所述阶梯状边框组的内框的第一孔中，并搭接于所述内框的外表面，且夹持于该催化剂涂布薄膜的两侧。

4.一种组装质子交换膜燃料电池的膜电极组的方法，其特征在于，包含以下步骤：

组装多个阶梯状边框组：提供一内框，再将一外框设置于该内框的外表面，该内框具有一第一孔，该外框具有一第二孔，该内框的第一孔的宽度小于该外框的第二孔的宽度，重复所述步骤以组装多个阶梯状边框组；

设置一催化剂涂布薄膜：取其中一阶梯状边框组，将一催化剂涂布薄膜设置于该内框上；

设置另一阶梯状边框组：将另一阶梯状边框组压合于该催化剂涂布薄膜上，以将该催化剂涂布薄膜夹持于两个阶梯状边框组之间；

设置二气体扩散层：设置二个气体扩散层分别于该二个阶梯状边框组中，系将所述气体扩散层分别设置于对应的外框的第二孔中，并贴靠于对应的外框的第二孔的内壁面；

进行压合制程：对所述气体扩散层进行压合，使所述气体扩散层分别延伸入所述阶梯状边框组的内框的第一孔中，并搭接于所述内框的外表面，且夹持于该催化剂涂布薄膜的两侧。

5.一种组装质子交换膜燃料电池的膜电极组的方法，其特征在于，包含以下步骤：

提供一第一内框，该第一内框具有一第一孔；

设置一催化剂涂布薄膜于该第一内框上；

提供一第二内框，由该催化剂涂布薄膜的另一侧设置于其中，以将该催化剂涂布薄膜夹设于该第一内框与该第二内框之间，该第二内框具有一第一孔；

提供一第一外框，将该第一外框设置于该第一内框的外表面，该第一外框具有一第二孔，该第一内框的第一孔的宽度小于该第一外框的第二孔的宽度；

提供一第二外框，将该第二外框设置于该第二内框的外表面，该第二外框具有一第二孔，该第二内框的第一孔的宽度小于该第二外框的第二孔的宽度；

提供一第一气体扩散层，将该第一气体扩散层设置于该第一外框的第二孔中，并贴靠于该第一外框的第二孔的内壁面；

提供一第二气体扩散层，将该第二气体扩散层设置于该第二外框的第二孔中，并贴靠于该第二外框的第二孔的内壁面；

进行压合制程：对该第一气体扩散层及该第二气体扩散层进行压合，使该第一气体扩散层延伸入该第一内框的第一孔中且搭接于该第一内框的外表面，并使该第二气体扩散层延伸入该第二内框的第一孔中且搭接于该第二内框的外表面，则该催化剂涂布薄膜夹持于该第一气体扩散层及该第二气体扩散层之间。

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