CN113497244A - 膜电极组件和具有它的燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膜电极组件，包括：质子交换膜，质子交换膜的两侧表面均设置有催化剂层；气体扩散层，气体扩散层设置在质子交换膜的两侧，且气体扩散层包括：底层和上层，底层具有与催化剂层相同或相近的平面面积，上层位于底层的背离催化剂层的一侧，上层的平面面积小于底层的平面面积，且上层与底层的面积差之处形成支撑部；支撑框架，支撑框架设置在质子交换膜的外围，且支撑框架适于与支撑部配合。根据本发明的膜电极组件，支撑框架与气体扩散层的支撑部固定，利用底层的平面扩散性将反应物扩散至整个催化剂层，可防止支撑框架在反应区内遮挡反应物到达催化剂层，从而有利于提升催化剂层的有效利用面积。
Description
技术领域
本发明涉及电化学电池领域，具体而言，涉及一种膜电极组件和具有它的燃料电池。
背景技术
目前的燃料电池，通常使用支撑架在反应区内固定质子交换膜，支撑架会夹紧并遮挡质子交换膜的部分催化剂层，使这部分催化剂层活性降低，在反应区内的催化剂层有效利用面积减少，进而降低燃料电池的电化学反应速率。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种燃料电池，可提升催化剂层的有效利用面积。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种膜电极组件，包括：质子交换膜，所述质子交换膜的两侧表面均设置有催化剂层；气体扩散层，所述气体扩散层设置在所述质子交换膜的两侧，且所述气体扩散层包括：底层和上层，所述底层具有与所述催化剂层相同或相近的平面面积，所述上层位于所述底层的背离所述催化剂层的一侧，所述上层的平面面积小于所述底层的平面面积，且所述上层与所述底层的面积差之处形成支撑部；支撑框架，所述支撑框架设置在所述质子交换膜的外围，且所述支撑框架适于与所述支撑部配合。
根据本发明的一些实施例，所述支撑部围绕所述气体扩散层整圈布置。
根据本发明的一些实施例，所述支撑部包括：第一支撑面和第二支撑面，所述第一支撑面和所述第二支撑面位于不同的平面上，所述支撑框架适于与所述第一支撑面、所述第二支撑面贴合。
进一步地，所述第一支撑面平行于所述质子交换膜，所述第二支撑面垂直于所述质子交换膜。
进一步地，所述支撑框架包括：聚合物层，所述聚合物层具有支撑段，所述支撑段适于与所述第一支撑面、所述第二支撑面贴合。
进一步地，所述支撑段的长度与所述第一支撑面的长度相等，所述支撑段的厚度不小于所述第二支撑面的高度。
进一步地，所述支撑框架还包括：粘合剂层，所述粘合剂层设置在所述聚合物层与所述质子交换膜之间，且将所述聚合物层与所述质子交换膜固定。
进一步地，所述支撑框架具有环形槽，所述第一支撑面适于位于所述环形槽内，所述第二支撑面适于位于所述环形槽外。
相对于现有技术，本发明所述的膜电极组件具有以下优势：
根据本发明的膜电极组件，支撑框架与气体扩散层的支撑部固定，利用底层的平面扩散性将反应物扩散至整个催化剂层，可防止支撑框架在反应区内遮挡反应物到达催化剂层，从而有利于提升催化剂层的有效利用面积。
本发明的另一个目的在于提出一种燃料电池，包括：第一极板；第二极板，所述第二极板与所述第一极板相对设置；上述的膜电极组件，所述膜电极组件设置在所述第一极板与所述第二极板之间。
进一步地，所述支撑框架的背离所述质子交换膜的一侧适于与对应的极板贴合。
相对于现有技术，本发明所述的燃料电池具有的优势与膜电极组件具有的优势相同，这里不再赘述。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是燃料电池结构的示意图；
图2是气体扩散层的示意图；
图3是非反应区的示意图。
附图标记说明：
第一极板1、第二极板2、质子交换膜3、气体扩散层4、支撑框架5、上层6、底层7、支撑段8、聚合物层9、粘合剂层10、催化剂层11、支撑部12、第一支撑面13、第二支撑面14、密封块16、非反应区17、固定凹槽18。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考图1-图3并结合实施例来详细说明本发明的膜电极组件。
参照图1-图3所示，根据本发明实施例的膜电极组件可用于燃料电池，膜电极组件包括：质子交换膜3、气体扩散层4，支撑框架5。
反应物在燃料电池的反应区内进行电化学反应并产生电流，反应物包括燃料和氧化剂，质子交换膜3用于分隔燃料和氧化剂并传导离子，质子交换膜3的两侧表面均设置有催化剂层11，具体地，质子交换膜3的一侧表面设置有阳极催化剂层，另一侧表面设置有阴极催化剂层，以提升电化学反应速度。
气体扩散层4设置在质子交换膜3的两侧，气体扩散层4为导电的多孔透气材料，具有平面扩散性，从而有利于反应物重新分配，以提升反应速度，可选地，气体扩散层4为碳纤维或金属泡沫材质。
气体扩散层4包括：底层7和上层6，底层7具有与催化剂层11相同或相近的平面面积，上层6位于底层7的背离催化剂层11的一侧，上层6的平面面积小于底层7的平面面积，且上层6与底层7的面积差之处形成支撑部12，支撑框架5设置在质子交换膜3的外围，且支撑框架5适于与支撑部12配合，以通过支撑框架5固定气体扩散层4，通过气体扩散层4的平面扩散性，反应物可通过上层6传递至底层7，再通过底层7将反应物扩散至与底层7平面面积相同或相近的催化剂层11，从而有利于反应物重新分配，以提升反应速度。
根据本发明的膜电极组件，支撑框架5与气体扩散层4的支撑部12固定，利用底层7的平面扩散性将反应物扩散至整个催化剂层11，可防止支撑框架5在反应区内遮挡反应物到达催化剂层11，从而有利于提升催化剂层11的有效利用面积，进而有利于提升燃料电池的电化学反应速率、发电效率和耐久性。
参照图1所示，支撑部12围绕气体扩散层4整圈布置，以固定气体扩散层4。
参照图1和图2所示，支撑部12包括：第一支撑面13和第二支撑面14，第一支撑面13和第二支撑面14位于不同的平面上，支撑框架5适于与第一支撑面13、第二支撑面14 贴合，以实现支撑框架5对气体扩散层4的定位和固定。
参照图1和图2所示，第一支撑面13平行于质子交换膜3，第二支撑面14垂直于质子交换膜3，从而有利于第一支撑面13和第二支撑面14加工，还有利于支撑框架5与支撑部12的装配。
参照图1和图2所示，支撑框架5包括：聚合物层9，聚合物层9具有支撑段8，支撑段8适于与第一支撑面13、第二支撑面14贴合，以实现支撑框架5对气体扩散层4的定位和固定。
参照图1-图3所示，支撑段8的长度与第一支撑面13的长度相等，支撑段8的厚度不小于第二支撑面14的高度，以间隔燃料电池的反应区和非反应区17，并防止反应物或反应生成物由气体扩散层4进入非反应区17。
参照图1所示，支撑框架5还包括：粘合剂层10，粘合剂层10设置在聚合物层9与质子交换膜3之间，且将聚合物层9与质子交换膜3固定，具体地，支撑框架5朝向质子交换膜3处设置有固定凹槽18，质子交换膜3向反应区外延伸，并通过粘合剂层10与聚合物层9固定，使质子交换膜3固定在固定凹槽18内，也就是说，不再需要气体扩散层4通过挤压质子交换膜3的方式固定质子交换膜3，从而有利于降低反应区内的质子交换膜3 和催化剂层11受到的应力，进而有利于提升催化剂的活性，以提升燃料电池的电化学反应速率。
优选地，支撑段8与支撑部12之间也设置有粘合剂层10，以将支撑段8与支撑部12粘接固定，从而有利于降低支撑框架5对支撑部12的应力，进而有利于防止气体扩散层4 受到的应力过大导致机械失效。
参照图1-图3所示，支撑框架5具有环形槽，第一支撑面13适于位于环形槽内，第二支撑面14适于位于环形槽外，以实现支撑框架5对气体扩散层4的定位和固定。
参照图1所示，根据本发明另一方面实施例的燃料电池，包括：第一极板1、第二极板2和上述实施例的膜电极组件，第二极板2与第一极板1相对设置，膜电极组件设置在第一极板1与第二极板2之间，在质子交换膜3两端的支撑段8与第一极板1和第二极板2围成的区域为反应区，
参照图1和图3所示，支撑框架5的背离质子交换膜3的一侧适于与对应的极板贴合，以间隔燃料电池的反应区和非反应区17。
参照图3所示，支撑框架5与对应的极板之间设置有密封块16，以对非反应区17密封，具体地，在非反应区17内，支撑框架5与第一极板1之间设置有密封块16，支撑框架5 与第二极板2之间设置有密封块16。
Claims (10)
1.一种膜电极组件，其特征在于，包括：
质子交换膜(3)，所述质子交换膜(3)的两侧表面均设置有催化剂层(11)；
气体扩散层(4)，所述气体扩散层(4)设置在所述质子交换膜(3)的两侧，且所述气体扩散层(4)包括：底层(7)和上层(6)，所述底层(7)具有与所述催化剂层(11)相同或相近的平面面积，所述上层(6)位于所述底层的背离所述催化剂层(11)的一侧，所述上层(6)的平面面积小于所述底层(7)的平面面积，且所述上层(6)与所述底层(7)的面积差之处形成支撑部(12)；
支撑框架(5)，所述支撑框架(5)设置在所述质子交换膜(3)的外围，且所述支撑框架(5)适于与所述支撑部(12)配合。
2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，所述支撑部(12)围绕所述气体扩散层(4)整圈布置。
3.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，所述支撑部(12)包括：第一支撑面(13)和第二支撑面(14)，所述第一支撑面(13)和所述第二支撑面(14)位于不同的平面上，所述支撑框架(5)适于与所述第一支撑面(13)、所述第二支撑面(14)贴合。
4.根据权利要求3所述的膜电极组件，其特征在于，所述第一支撑面(13)平行于所述质子交换膜(3)，所述第二支撑面(14)垂直于所述质子交换膜(3)。
5.根据权利要求3所述的膜电极组件，其特征在于，所述支撑框架(5)包括：聚合物层(9)，所述聚合物层(9)具有支撑段(8)，所述支撑段(8)适于与所述第一支撑面(13)、所述第二支撑面(14)贴合。
6.根据权利要求5所述的膜电极组件，其特征在于，所述支撑段(8)的长度与所述第一支撑面(13)的长度相等，所述支撑段(8)的厚度不小于所述第二支撑面(14)的高度。
7.根据权利要求5所述的膜电极组件，其特征在于，所述支撑框架(5)还包括：粘合剂层(10)，所述粘合剂层(10)设置在所述聚合物层(9)与所述质子交换膜(3)之间，且将所述聚合物层(9)与所述质子交换膜(3)固定。
8.根据权利要求3所述的膜电极组件，其特征在于，所述支撑框架(5)具有环形槽，所述第一支撑面(13)适于位于所述环形槽内，所述第二支撑面(14)适于位于所述环形槽外。
9.一种燃料电池，其特征在于，包括：
第一极板(1)；
第二极板(2)，所述第二极板(2)与所述第一极板(1)相对设置；
权利要求1-8中任一项所述的膜电极组件，所述膜电极组件设置在所述第一极板(1)与所述第二极板(2)之间。
10.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述支撑框架(5)的背离所述质子交换膜(3)的一侧适于与对应的极板贴合。
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