CN113488687A - 一种燃料电池的膜电极组件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池的膜电极组件及其制备方法，该膜电极组件包括：催化剂涂膜五层组件5‑CCM(200)以及贴合在催化剂涂膜五层组件5‑CCM(200)两侧的阳极气体扩散层GDL(310)和阴极气体扩散层GDL(320)；其制备方法包括以下步骤：(1)催化剂涂膜三层组件3‑CCM(100)的组装；(2)催化剂涂膜五层组件5‑CCM(200)的组装；(3)膜电极组件MEA(300)的组装。与现有技术相比，本发明具有结构简单、可批量化生产、避免燃料电池电堆中冷却腔与燃料腔之间的串漏、避免储存过程中的湿度损失等优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池的膜电极组件及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)又是目前较成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术，为了满足应用功率的需求，实际的燃料电池是由多节单电池串联成电堆并压合紧固封装而成，单电池主要是由膜电极组件(MembraneElectrolyte Assembly，简称MEA)、双极板和密封材料三大件组成，其中：
MEA作为燃料电池中的一种核心组件，它接受双极板从水气公共流道中分配来的加湿反应气体和冷却液，同时收集并传导电流以及承担整个燃料电池的散热和排水功能；PEM是一种对湿度和水十分敏感的材料，它能将阳极催化产生的水合氢离子转移到阴极；它也能隔绝阴阳极间的气体和电子传输，减少内部短路的发生。
所以，通常在MEA中为了达到彻底的隔绝，PEM的面积比催化剂的面积要大得多，该区域的面积一般占总面积的30-50％，这些未涂覆催化剂的裸露PEM会被边框(通常是一些廉价高分子材料)保护起来，它们不参与发电过程，但是由于PEM的价格昂贵，且对水气及大多数的化学溶剂十分敏感，所以对MEA的设计和制程过程都提出了较高的要求。
中国专利CN02157656，公开了一种注胶边框的结构，其中的质子交换膜需要延伸至密封区的外边框边缘来达到更可靠的密封结构，需要复杂的高温高压注射工艺对质子交换膜进行密封；中国专利CN200810197098公开了一种MEA边框结构的制备方法，提出了催化层与边框有一定面积的搭接其中为了达到更好的密封效果，要求质子交换膜需要延伸至密封区的外边框边缘；中国专利CN202011115308公开了一种MEA的单层边框结构，但是单测边框导致质子交换膜和催化层跟极板密封脊背有直接接触，导致极板和质子膜的腐蚀加剧；该专利中提及在没有公共流道区域的边框膜需要一直延伸到边框的边缘区域，所以与本发明的逻辑存在差异；美国专利US8021796公开了一种MEA结构特征是：催化层与边框有一段重叠区，且无催化层的质子膜边缘延伸到了边框外延，也没有提及是否有公共流道区域的边框膜的存在方式；美国专利US10862139公开了一种防止MEA内部水汽流失的方案，利用复合质子膜本身的增强层(无离子传导能力)作为与边框的粘结层，从而避免了电堆与外界水汽交换；但该技术路线非常复杂，需要在MEA的制程中集成制膜工艺才能达到设计要求。
上述专利中均没有涉及到MEA的边框和PEM的详细结构设计关系以及公共流道区域存在形式，而在实际运行过程中，电堆内部复杂的水汽冲刷和化学腐蚀是导致MEA的短期失效主要原因，同时，形状复杂且对位精确的MEA设计使得其难以进行批量化生产。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、可批量化生产、避免燃料电池电堆中冷却腔与燃料腔之间的串漏、避免储存过程中的湿度损失的燃料电池的膜电极组件及其制备方法，用以解决运行过程中MEA的水汽冲刷和化学腐蚀耐久性问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池的膜电极组件，该膜电极组件包括：催化剂涂膜五层组件5-CCM以及贴合在催化剂涂膜五层组件5-CCM两侧的阳极气体扩散层GDL和阴极气体扩散层GDL；
所述的催化剂涂膜五层组件5-CCM包括：催化剂涂膜三层组件3-CCM以及贴合在催化剂涂膜三层组件3-CCM两侧的阳极边框和阴极边框；其中，阳极边框和阴极边框分别开设有阳极边框活性区通孔和阴极边框活性区通孔。边框内侧对应的区域为整个膜电极组件的中心活性区域。
进一步地，所述的阳极气体扩散层GDL和阴极气体扩散层GDL的大小与催化剂涂膜三层组件3-CCM上反应区对应。可能略大于或者略小于催化剂涂膜三层组件3-CCM上反应区面积。
进一步地，所述的催化剂涂膜三层组件3-CCM包括质子交换膜PEM以及质子交换膜PEM两侧的阳极催化层和阴极催化层，且质子交换膜PEM的面积大于阳极催化层和阴极催化层。催化剂涂膜三层组件3-CCM上反应区就是指含有催化剂的部分。
进一步地，所述的催化剂涂膜三层组件3-CCM上不含催化剂的区域距离阳极边框和/或阴极边框内边缘即中心活性区域外侧2-6mm，且位于外边缘以内。
进一步地，所述的阳极边框和阴极边框边缘开设有多个用于定位的定位标记或定位孔。无其他打孔区域，无公共流道。
一种如上所述的燃料电池的膜电极组件的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)催化剂涂膜三层组件3-CCM的组装：将阳极催化层和阴极催化层分别贴合在质子交换膜PEM两侧，得到催化剂涂膜三层组件3-CCM；
(2)催化剂涂膜五层组件5-CCM的组装：将阳极边框和阴极边框分别贴合在催化剂涂膜三层组件3-CCM两侧，得到催化剂涂膜五层组件5-CCM；
(3)膜电极组件MEA的组装：将阳极气体扩散层GDL和阴极气体扩散层GDL分别贴合在催化剂涂膜五层组件5-CCM两侧，然后模切掉周边多余部分形成最终的燃料电池膜电极组件MEA。
进一步地，所述的GDL和阴极气体扩散层GDL与催化剂涂膜五层组件5-CCM贴合时，采用胶粘或者热压的方式。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明由于没有开设公共流道，避免燃料电池电堆中冷却腔与燃料腔之间的串漏，也能避免储存过程中的湿度损失；
(2)本发明的膜封边工艺相对于传统的全边框工艺更加简单便捷，没有对传统MEA中的公共流道的精密对位要求；
(3)本发明不需要浪费大量的边框材料和昂贵的质子膜材料，易于批量化生产。
附图说明
图1为实施例1中膜电极组件俯视图；
图2为实施例1中膜电极组件截面放大图；
图3为实施例1中膜电极组件的制备过程图；
图4为现有技术中含公共流道的膜电极组件俯视图；
图中标号所示：催化剂涂膜三层组件3-CCM100、质子交换膜PEM110、阳极催化层120、阴极催化层130、催化剂涂膜五层组件5-CCM200、阳极边框210、阳极边框活性区通孔211、第一阳极边框定位孔212、第二阳极边框定位孔213、阴极边框220、阴极边框活性区通孔221、第一阴极边框定位孔222、第二阴极边框定位孔223、膜电极组件MEA300、阳极气体扩散层GDL310、阴极气体扩散层GDL320。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种燃料电池膜电极组件MEA300，由七层结构组成如图1-2：PEM110；阳极催化层120；阴极催化层130；阳极边框210；阴极边框220；阳极GDL310；阴极GDL320；其中，PEM110，阳极催化层120，阴极催化层130组成了三层结构的3-CCM100；然后将两层边框：阳极边框210；阴极边框220与其组成了5-CCM200；然后再将由多孔材料组成的两层GDL：阳极GDL310，阴极GDL320与5-CCM200形成最终的MEA300。
相较于传统全尺寸MEA设计，本实施例中的MEA300无公共流道的边框设计，即边框除了中心活性区通孔之外，无其他打孔区域；再之，本实施例中的3-CCM100的边缘存在不带有催化层的质子膜区域110与边框进行粘结，且无催化剂的PEM110区域在X、Y方向上的外边缘位于边框内边缘，即中心活性区域外侧2-6mm，且小于边框210，220的外边缘；
一种燃料电池膜电极组件MEA300的制备方法，主要步骤如图3所示：将两层边框：阳极边框210；阴极边框220贴合在3-CCM100之上组成了5-CCM200，边框原材料210，220的外边缘尺寸远大于3-CCM100的外边缘，边框原材料210，220仅带有阳极边框活性区通孔211和阴极边框活性区通孔221和第一阳极边框定位孔212、第二阳极边框定位孔213、第一阴极边框定位孔222、第二阴极边框定位孔223或者其他定位标记，其中活性区通孔与多个定位孔之间通过刀模裁切后具有精确的位置关系，通过对应定位孔进行定位贴合后形成了5-CCM200；然后将由多孔材料组成的两层GDL：阳极GDL310，阴极GDL320通过胶粘或者热压的方式粘结在5-CCM200对应的活性区域位置，然后通过模切掉周边多余部分形成最终的MEA300。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种燃料电池的膜电极组件，其特征在于，该膜电极组件包括：催化剂涂膜五层组件5-CCM(200)以及贴合在催化剂涂膜五层组件5-CCM(200)两侧的阳极气体扩散层GDL(310)和阴极气体扩散层GDL(320)；
所述的催化剂涂膜五层组件5-CCM(200)包括：催化剂涂膜三层组件3-CCM(100)以及贴合在催化剂涂膜三层组件3-CCM(100)两侧的阳极边框(210)和阴极边框(220)。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池的膜电极组件，其特征在于，所述的阳极边框(210)和阴极边框(220)分别开设有阳极边框活性区通孔(211)和阴极边框活性区通孔(221)。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池的膜电极组件，其特征在于，所述的阳极气体扩散层GDL(310)和阴极气体扩散层GDL(320)的大小与催化剂涂膜三层组件3-CCM(100)上反应区对应。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池的膜电极组件，其特征在于，所述的催化剂涂膜三层组件3-CCM(100)包括质子交换膜PEM(110)以及质子交换膜PEM(110)两侧的阳极催化层(120)和阴极催化层(130)。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池的膜电极组件，其特征在于，所述的质子交换膜PEM(110)的面积大于阳极催化层(120)和阴极催化层(130)。
6.根据权利要求1或4所述的一种燃料电池的膜电极组件，其特征在于，所述的催化剂涂膜三层组件3-CCM(100)上不含催化剂的区域距离阳极边框(210)和/或阴极边框(220)内边缘外侧2-6mm。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池的膜电极组件，其特征在于，所述的催化剂涂膜三层组件3-CCM(100)位于阳极边框(210)和/或阴极边框(220)外边缘以内。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池的膜电极组件，其特征在于，所述的阳极边框(210)和阴极边框(220)边缘开设有多个用于定位的定位标记或定位孔。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的燃料电池的膜电极组件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)催化剂涂膜三层组件3-CCM(100)的组装：将阳极催化层(120)和阴极催化层(130)分别贴合在质子交换膜PEM(110)两侧，得到催化剂涂膜三层组件3-CCM(100)；
(2)催化剂涂膜五层组件5-CCM(200)的组装：将阳极边框(210)和阴极边框(220)分别贴合在催化剂涂膜三层组件3-CCM(100)两侧，得到催化剂涂膜五层组件5-CCM(200)；
(3)膜电极组件MEA(300)的组装：将阳极气体扩散层GDL(310)和阴极气体扩散层GDL(320)分别贴合在催化剂涂膜五层组件5-CCM(200)两侧，然后模切掉周边多余部分形成最终的燃料电池膜电极组件MEA(300)。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池的膜电极组件的制备方法，其特征在于，所述的GDL(310)和阴极气体扩散层GDL(320)与催化剂涂膜五层组件5-CCM(200)贴合时，采用胶粘或者热压的方式。
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