CN113921874A - 膜电极结构及燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池，提供一种膜电极结构和燃料电池，其中，所述膜电极结构包括主体膜结构以及夹持所述主体膜结构的周缘的边框部，所述边框部包括直接夹持所述主体膜结构的周缘的内边框板以及夹持所述内边框板的外边框板，制成所述内边框板的材料的拉伸强度大于制成所述外边框板的材料的拉伸强度。本发明所述的膜电极结构，以机械强度较高的材料作为内层边框，并在外侧设置化学性能、热学性能稳定的材料作为保护，可以使得边框部可以更好地支撑主体膜结构，同时不受两侧化学反应、温度波动的影响，延长使用寿命，同时减少了成本更高的内边框材料的使用量，节省了材料制成。

Description

膜电极结构及燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种膜电极结构，并且涉及一种燃料电池。
背景技术
质子交换膜燃料电池具有能量密度大、能量转换效率高、启动温度低、污染低等突出优点。电化学反应一般发生在膜电极组件(MEA)的催化剂层中。膜电极组件(MEA)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心组件之一，它的结构是三明治状的，包括质子交换膜(PEM)、电催化剂层和气体扩散层(GDL)。MEA的密封结构和性能是影响燃料电池或燃料电池堆性能和安全性的关键因素。众所周知，PEMFC电堆的组装是利用金属端板的夹紧力将金属端板、集流板、双极板、膜电极(MEA)等部分组装形成的整体结构，为了防止PEMFC核心组件MEA因受到过大的压力而造成对电池电堆性能的影响，通常需要在MEA的外边缘四周设置边框。边框结构的设置不仅可以起到保护MEA的作用，同时还能够增加电池密封，以防止漏气造成使用安全问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种膜电极结构，以解决膜电极边框结构容易损坏的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种膜电极结构，其中，所述膜电极结构包括主体膜结构以及夹持所述主体膜结构的周缘的边框部，所述边框部包括直接夹持所述主体膜结构的周缘的内边框板以及夹持所述内边框板的外边框板，制成所述内边框板的材料的拉伸强度大于制成所述外边框板的材料的拉伸强度。
进一步的，制成所述外边框板的材料的玻璃化转化温度大于制成所述内边框板的材料的玻璃化转化温度。
进一步的，所述内边框板由聚萘二甲酸乙二醇酯制成。
进一步的，所述外边框板由聚酰亚胺制成。
进一步的，所述主体膜结构包括质子交换膜以及分别贴合于所述质子交换膜两个表面的阳极催化剂层和阴极催化剂层。
进一步的，所述质子交换膜的周缘从所述阴极催化剂层和所述阳极催化剂层之间伸出，所述内边框板夹持所述质子交换膜的周缘、所述阴极催化剂层的周缘和所述阳极催化剂层的周缘。
进一步的，所述主体膜结构包括贴合于所述阳极催化剂层外侧表面的阳极气体扩散层和贴合于所述阴极催化剂层外侧表面的阴极气体扩散层。
进一步的，所述内边框板的内周缘相对于所述外边框板的内周缘向内伸出，所述阳极气体扩散层的周缘贴合于所述内边框板的内周缘，所述阴极气体扩散层的周缘贴合于所述内边框板的内周缘。
进一步的，所述阳极气体扩散层相对于所述外边框板的外侧表面凸出，所述阴极气体扩散层相对于所述外边框板的外侧表面凸出。
进一步的，所述边框部的两端分别设置有至少两个歧管口。
相对于现有技术，本发明所述的膜电极结构具有以下优势：
本发明所述的膜电极结构，以机械强度较高的材料作为内层边框，并在外侧设置化学性能、热学性能稳定的材料作为保护，可以使得边框部可以更好地支撑主体膜结构，同时不受两侧化学反应、温度波动的影响，延长使用寿命，同时减少了成本更高的内边框材料的使用量，节省了材料制成。
本发明的另一目的在于提出一种燃料电池，以解决膜电极边框结构容易损坏的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种燃料电池，其中，所述燃料电池设置有以上方案所述的膜电极结构。
所述燃料电池与上述膜电极结构相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
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方式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为本发明实施方式所述的膜电极结构的示意图；
图2为本发明实施方式所述的膜电极结构的截面图。
附图标记说明：
1-边框部，2-空气出气歧管口，3-冷却液进液歧管口，4-氢气进气歧管口，5-空气进气歧管口，6-冷却液出液歧管口，7-氢气出气歧管口，8-主体膜结构，9-外边框板，10-定位孔，11-阳极气体扩散层，12-阴极气体扩散层，13-阳极催化剂层，14-阴极催化剂层，15-内边框板，16-质子交换膜。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
本发明提供了一种膜电极结构，其中，所述膜电极结构包括主体膜结构8以及夹持所述主体膜结构8的周缘的边框部1，所述边框部1包括直接夹持所述主体膜结构8的周缘的内边框板15以及夹持所述内边框板15的外边框板9，制成所述内边框板15的材料的拉伸强度大于制成所述外边框板9的材料的拉伸强度。
所述膜电极用于燃料电池中，其可以设置在阴极和阳极之间，允许两侧进行质子交换。其中，主体膜结构8为主体功能部件，允许其两侧进行质子交换；而边框部1为主体膜结构的支撑结构，参考图1所示，边框部1围绕主体膜结构8设置，并且夹持主体膜结构8的周缘；边框部1包括两个内边框板15和两个外边框板9，两个内边框板15夹持主体膜结构8的周缘，两个外边框板6从外侧夹持内边框板15，外边框板6可以通过胶粘接于内边框板15。
其中，内边框板15的材料的拉伸强度大于外边框板9的材料的拉伸强度，这使得内边框板15具有一定的机械强度，力学性能稳定，即使在高温高压情况下，其弹性模量、强度、蠕变和寿命仍能保持相当的稳定性，因此，可以作为支撑主体膜结构8的内层结构；外边框板9与阴极侧和阳极侧的反应物接触，因此其需要具有耐酸、耐碱能力，可以应对两侧极板的恶劣酸碱环境，可以设置在内边框板15的外侧以保护内边框板15不受恶劣酸碱环境的直接影响。
本方案中，以机械强度较高的材料作为内层边框，并在外侧设置化学性能、热学性能稳定的材料作为保护，可以使得边框部可以更好地支撑主体膜结构，同时不受两侧化学反应、温度波动的影响，延长使用寿命，同时减少了成本更高的内层边框材料使用量，节省了材料制成。以下表1为两种材料的性能对比。
进一步的，制成所述外边框板9的材料的玻璃化转化温度大于制成所述内边框板15的材料的玻璃化转化温度。也就是说，外边框板9的材料具有更好的耐高温性能，可以更好地应对阴极侧和阳极侧的高温环境，以保护内边框板15。
可选择的，所述内边框板15由聚萘二甲酸乙二醇酯制成。
可选择的，所述外边框板9由聚酰亚胺制成。
聚萘二甲酸乙二醇酯的拉伸强度更高，具有更好地机械强度，可以保护主体膜结构8，而聚酰亚胺的热稳定性更好，具有更为稳定的化学性能，可以保护内边框板15。
表1材料特性对比
Figure BDA0002553188710000051
具体的，所述主体膜结构8包括质子交换膜16以及分别贴合于所述质子交换膜16两个表面的阳极催化剂层13和阴极催化剂层14。通过阳极催化剂层13所包含的催化剂的作用，使得供应到阳极的燃料发生电极反应，生成质子和电子，质子可以从阳极侧穿过质子交换膜16到达阴极侧，通过阴极催化剂层14所包含的催化剂的作用，使得供应到阴极的氧气与质子、电子发生电极反应，生成水。当然，主体膜结构8可以用于多种燃料的电极反应，包括氢气、甲烷等。
进一步的，所述质子交换膜16的周缘从所述阴极催化剂层14和所述阳极催化剂层13之间伸出，所述内边框板15夹持所述质子交换膜16的周缘、所述阴极催化剂层14的周缘和所述阳极催化剂层13的周缘。被内边框板15所夹持的质子交换膜16基本不再进行质子交换作用，并且被内边框板15所夹持的阴极催化剂层14和阳极催化剂层13也基本不再具有分别对阳极和阴极反应的催化作用。参考图2所示，内边框板15夹持并支撑质子交换膜16、阴极催化剂层14和阳极催化剂层13，并且质子交换膜16的尺寸更大而伸出，可以减少阴极催化剂层14和阳极催化剂层13的用量，节省材料成本。
另外，所述主体膜结构8包括贴合于所述阳极催化剂层13外侧表面的阳极气体扩散层11和贴合于所述阴极催化剂层14外侧表面的阴极气体扩散层12。气体扩散层在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的重要作用。常用于质子交换膜的燃料电池电极的气体扩散层材料可以为碳纤维纸、碳纤维编织布、非织造布及炭黑纸等。阳极气体扩散层11可以使得阳极气体以合适的流量扩散到阳极催化剂层13处，类似的，阴极气体扩散层12可以使得阴极气体以合适的流量扩散到阴极催化剂层14处。
其中，所述内边框板15的内周缘相对于所述外边框板9的内周缘向内伸出，所述阳极气体扩散层11的周缘贴合于所述内边框板15的内周缘，所述阴极气体扩散层12的周缘贴合于所述内边框板15的内周缘。参考图2所示，内边框板15的内周缘相对于外边框板9的内周缘错开，阳极气体扩散层11和阴极气体扩散层12在夹持中间的阴极催化剂层14和阳极催化剂层13以及质子交换膜16的同时，也夹持内边框板15的内周缘，即可以通过内边框板15的内周缘来支撑阳极气体扩散层11和阴极气体扩散层12，提高二者的强度。
另外，所述阳极气体扩散层11相对于所述外边框板9的外侧表面凸出，所述阴极气体扩散层12相对于所述外边框板9的外侧表面凸出。阳极气体扩散层11和阴极气体扩散层12的尺寸大致相同，二者彼此对齐，在阳极气体扩散层11和阴极气体扩散层12处，主体膜结构8的厚度大于外边框板9处的厚度，这允许阳极气体扩散层11和阴极气体扩散层12分别具有较大的厚度，保证其气体扩散作用。
其中，所述边框部1的两端分别设置有至少两个歧管口。歧管口可以用于输入反应气体和冷却液，多个膜电极和极板堆叠后，极板上的歧管口可以与膜电极的歧管口对齐，形成相应的流道。
另外，所述边框部1的一端设置有冷却液进液歧管口3、空气出气歧管口2、氢气进气歧管口4，所述边框部1的另一端设置有冷却液出液歧管口6、空气进气歧管口5、氢气出气歧管口7。参考图1所示，边框部1大致为四边形边框，其长度方向的一端设置有冷却液进液歧管口3、空气出气歧管口2、氢气进气歧管口4，另一端设置有冷却液出液歧管口6、空气进气歧管口5、氢气出气歧管口7，冷却液进液歧管口3和冷却液出液歧管口6可以通过膜电极结构与极板之间的冷却液流道连通，空气出气歧管口2和空气进气歧管口5可以通过膜电极结构与极板之间的空气流道连通，氢气进气歧管口4和氢气出气歧管口7可以通过膜电极结构与极板之间的氢气流道连通。另外，燃料电池电堆的极板上也设置有相应的歧管口，将膜电极结构和极板层叠后，对应的歧管口沿层叠方向对齐。
进一步的，所述空气出气歧管口2和所述空气进气歧管口5分别位于所述边框部1的一组对角区域，所述氢气进气歧管口4和所述氢气出气歧管口7分别位于所述边框部1的另一组对角区域，所述冷却液进液歧管口3位于所述空气出气歧管口2和所述氢气进气歧管口4之间，所述冷却液出液歧管口6位于所述空气进气歧管口5和所述氢气出气歧管口7之间。以上说明了一种各个歧管口的设计方式，在其他实施方式中，也可以通过其他方式排列各种不同流体的歧管口。
另外，所述边框部1的四个角部设置有定位孔10。定位孔10贯穿内边框板15和外边框板9，在燃料电池电堆中，设置有多个层叠的膜电极结构(相邻的膜电极之间设置有极板)，各个膜电极结构中，定位孔10的位置相同，可以通过定位柱穿过对应的定位孔10，实现多个膜电极结构的相对定位。
另外，本发明还提供了一种燃料电池，其中，所述燃料电池设置有以上方案所述的膜电极结构。所述燃料电池包括极板和位于极板之间的膜电极结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种膜电极结构，其特征在于，所述膜电极结构包括主体膜结构(8)以及夹持所述主体膜结构(8)的周缘的边框部(1)，所述边框部(1)包括直接夹持所述主体膜结构(8)的周缘的内边框板(15)以及夹持所述内边框板(15)的外边框板(9)，制成所述内边框板(15)的材料的拉伸强度大于制成所述外边框板(9)的材料的拉伸强度。
2.根据权利要求1所述的膜电极结构，其特征在于，制成所述外边框板(9)的材料的玻璃化转化温度大于制成所述内边框板(15)的材料的玻璃化转化温度。
3.根据权利要求2所述的膜电极结构，其特征在于，所述内边框板(15)由聚萘二甲酸乙二醇酯制成。
4.根据权利要求2所述的膜电极结构，其特征在于，所述外边框板(9)由聚酰亚胺制成。
5.根据权利要求1所述的膜电极结构，其特征在于，所述主体膜结构(8)包括质子交换膜(16)以及分别贴合于所述质子交换膜(16)两个表面的阳极催化剂层(13)和阴极催化剂层(14)。
6.根据权利要求5所述的膜电极结构，其特征在于，所述质子交换膜(16)的周缘从所述阴极催化剂层(14)和所述阳极催化剂层(13)之间伸出，所述内边框板(15)夹持所述质子交换膜(16)的周缘、所述阴极催化剂层(14)的周缘和所述阳极催化剂层(13)的周缘。
7.根据权利要求6所述的膜电极结构，其特征在于，所述主体膜结构(8)包括贴合于所述阳极催化剂层(13)外侧表面的阳极气体扩散层(11)和贴合于所述阴极催化剂层(14)外侧表面的阴极气体扩散层(12)。
8.根据权利要求7所述的膜电极结构，其特征在于，所述内边框板(15)的内周缘相对于所述外边框板(9)的内周缘向内伸出，所述阳极气体扩散层(11)的周缘贴合于所述内边框板(15)的内周缘，所述阴极气体扩散层(12)的周缘贴合于所述内边框板(15)的内周缘。
9.根据权利要求8所述的膜电极结构，其特征在于，所述阳极气体扩散层(11)相对于所述外边框板(9)的外侧表面凸出，所述阴极气体扩散层(12)相对于所述外边框板(9)的外侧表面凸出。
10.根据权利要求1所述的膜电极结构，其特征在于，所述边框部(1)的两端分别设置有至少两个歧管口。
11.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池设置有权利要求1-10中任意一项所述的膜电极结构。
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