CN115133087A - 一种膜电极组件及燃料电池单电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种膜电极组件及燃料电池单电池，膜电极组件包括质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，质子交换膜的边缘处形成密封连接部，密封连接部的上、下表面分别粘结有阳极边框密封组件和阴极边框密封组件；阳极边框密封组件包括第一层阳极绝缘边框、第二层阳极绝缘边框和阳极绝缘边框密封圈，阴极边框密封组件包括第一层阴极极绝缘边框、第二层阴极绝缘边框和阴极绝缘边框密封圈；第一层阳极绝缘边框和阳极气体扩散层相粘结，第一层阴极极绝缘边框和阴极气体扩散层相粘结。本发明还公开了一种燃料电池单电池。本发明具有较好的受力均匀性和较高的密封性能。

Description

一种膜电极组件及燃料电池单电池

技术领域

本发明涉燃料电池技术领域，尤其是指一种膜电极组件及燃料电池单电池。

背景技术

燃料电池是将化学能转化为电能的发电装置，其突破了传统内燃机的效率限制，燃料电池发动机被认为是未来汽车动力装置的主要发展方向。而燃料电池单体内部最重要的部件就是膜电极(MEA，Membrane Electrode Assembly)，又译为膜电极，它是燃料电池发电的关键核心部件，膜电极与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元-燃料电池单电池。在实际应用当中可以根据设计的需要将多个单电池组合成为燃料电池电堆以满足不同大小功率输出的需要。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率较高。鉴于燃料电池的上述优点，燃料电池电堆成为了继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术，被得以广泛推广和应用。

膜电极是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的最核心的部件，是能量转换的多相物质传输和电化学反应场所，涉及三相界面反应和复杂的传质传热过程，膜电极直接决定了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能、寿命及成本。MEA的结构主要包括气体扩散层、催化层、质子交换膜，其中气体扩散层通常包括碳纸/碳布和负载在其上的微孔层。通常将阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层和阳极气体扩散层组成的MEA称之为“五合一”MEA，而将完成边框密封组件称之为“七合一”MEA。

MEA作为燃料电池最为核心的部件，提高其性能和寿命对于质子交换膜燃料电池来说具有非常重要的意义，但是现有的MEA结构的电堆受力均匀性和密封性不佳，在实际使用环境中的使用寿命较低，无法满足使用需求。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中MEA结构受力均匀性和密封性不佳的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种膜电极组件，包括质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层，所述质子交换膜的上表面涂布有阳极催化层，所述质子交换膜的下表面涂布有阴极催化层；

所述质子交换膜的边缘处形成密封连接部，所述密封连接部的上表面粘结有阳极边框密封组件，所述密封连接部的下表面表面粘结有阴极边框密封组件；

所述阳极边框密封组件包括依次粘结的第一层阳极绝缘边框和第二层阳极绝缘边框，所述第二层阳极绝缘边框的外部注塑形成有阳极绝缘边框密封圈，所述阴极边框密封组件包括依次粘结的第一层阴极极绝缘边框和第二层阴极绝缘边框，所述第二层阴极绝缘边框的外部注塑形成有阴极绝缘边框密封圈；

所述密封连接部的上表面粘结有第一层阳极绝缘边框，所述密封连接部的下表面粘结有第一层阴极绝缘边框；

所述第一层阳极绝缘边框和所述阳极气体扩散层相粘结，所述第一层阴极极绝缘边框和所述阴极气体扩散层相粘结。

在本发明的一个实施例中，所述阳极绝缘边框密封圈通过液态硅胶注塑成型方式注塑在所述第二层阳极绝缘边框上，所述阴极绝缘边框密封圈通过液态硅胶注塑成型方式注塑在所述第二层阴极绝缘边框上。

在本发明的一个实施例中，所述第一层阳极绝缘边框的厚度小于所述第二层阳极绝缘边框的厚度，所述第一层阴极绝缘边框的厚度小于所述第二层阴极绝缘边框的厚度。

在本发明的一个实施例中，所述第一层阳极绝缘边框的厚度为0.025～0.04mm，所述第二层阳极绝缘边框的厚度为0.05～0.1mm。

在本发明的一个实施例中，所述第一层阴极绝缘边框的厚度为0.025～0.04mm，所述第二层阴极绝缘边框的厚度为0.05～0.1mm。

在本发明的一个实施例中，所述密封连接部的上表面和第一层阳极绝缘边框之间无催化层覆盖，所述密封连接部的下表面和第一层阴极绝缘边框之间无催化层覆盖。

在本发明的一个实施例中，所述第一层阳极绝缘边框和第一层阴极绝缘边框均采用PEN膜，所述第二层阳极绝缘边框采用PEN膜或PI膜，所述第二层阴极绝缘边框采用PEN膜或PI膜。

在本发明的一个实施例中，所述阳极气体扩散层厚度为0.16～0.26mm，所述阴极气体扩散层厚度为0.16～0.26mm。

在本发明的一个实施例中，所述第一层阳极绝缘边框和所述阳极气体扩散层的粘结长度为2～6mm；所述第一层阴极绝缘边框和所述阴极气体扩散层的粘结长度为2～6mm。

一种燃料电池单电池，包括阳极双极板、阴极双极板和上述任一项所述的膜电极组件，所述膜电极组件设置在所述阳极双极板和阴极双极板之间，所述阳极气体扩散层位于所述第一层阳极绝缘边框和阳极双极板之间，所述阴极气体扩散层位于所述第一层阴极绝缘边框和阴极双极板之间。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的膜电极组件及燃料电池单电池，具有较好的受力均匀性和较高的密封性能，综合性能较好，可以有效提高膜电极组件和燃料电池的使用寿命。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的膜电极组件的结构示意图；

图2是图1中A处的局部放大示意图；

图3是图1所示的膜电极组件对应的燃料电池单电池的结构示意图；

说明书附图标记说明：1、质子交换膜；11、密封连接部；2、阳极催化层；3、阴极催化层；4、阳极气体扩散层；5、阴极气体扩散层；6、阳极双极板；7、阴极双极板；8、阳极边框密封组件；81、第一层阳极绝缘边框；82、第二层阳极绝缘边框；83、阳极绝缘边框密封圈；9、阴极边框密封组件；91、第一层阴极绝缘边框；92、第二层阴极绝缘边框；93、阴极绝缘边框密封圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，本实施例公开了一种膜电极组件，包括质子交换膜1、阳极催化层2、阴极催化层3、阳极气体扩散层4、阴极气体扩散层5，质子交换膜1的上表面涂布有阳极催化层2，质子交换膜1的下表面涂布有阴极催化层3；

质子交换膜1的边缘处形成密封连接部11，密封连接部11的上表面粘结有阳极边框密封组件8，密封连接部11的下表面表面粘结有阴极边框密封组件9；

阳极边框密封组件8包括由内至外依次粘结的第一层阳极绝缘边框81和第二层阳极绝缘边框82，第二层阳极绝缘边框82的外部注塑形成有阳极绝缘边框密封圈83，阴极边框密封组件9包括由内至外依次粘结的第一层阴极极绝缘边框和第二层阴极绝缘边框92，第二层阴极绝缘边框92的外部注塑形成有阴极绝缘边框密封圈93；

质子交换膜1的边缘处形成密封连接部11，密封连接部11的上表面粘结有第一层阳极绝缘边框81，密封连接部11的下表面粘结有第一层阴极绝缘边框91；

第一层阳极绝缘边框81和阳极气体扩散层4相粘结，第一层阴极极绝缘边框和阴极气体扩散层5相粘结。

传统的膜电极组件中，密封胶圈是采用点胶方式在双极板的两侧进行制备，因点胶过程每片双极板的点胶高度、宽度都会有偏差，所以在装堆过程中会出现对齐性能差的问题；而本申请的上述结构中阳极绝缘边框密封圈83是在第二层阳极绝缘边框82的外部注塑形成型，阴极绝缘边框密封圈93是在第二层阴极绝缘边框92的外部注塑成型，可以有效弄避免上述问题，不会在装堆过程中产生平移错位现象，提高了装堆一致性，从而有效改善电堆的受力均匀性，提高了密封可靠性，可以避免气体外渗的问题；

另外，上述是实施例的阳极绝缘边框和阴极绝缘边框均采用双层结构，第一方面：可以匹配到厚度更薄的气体扩散层材料，从而可以有效提高了膜电极的性能，因为更薄的气体扩散层其导电导热性能更好、透气性更好、排水性能也更好，对于MEA的性能会有较大的提升；第二方面：可以更好地保证七合一膜电极重叠区域的受力均匀性；第三方面：可以增强第二层绝缘边框的刚度，更好地防止装堆过程中的平移错位；第四方面：更便于绝缘边框密封圈厚度的调整，优化密封性能与密封区域的受力均匀性。因此，阳极绝缘边框和阴极绝缘边框均采用双层结构可以有效增强膜电极的综合性能。

在其中一个实施方式中，阳极绝缘边框密封圈83通过液态硅胶注塑成型方式注塑在第二层阳极绝缘边框82上，阴极绝缘边框密封圈93通过液态硅胶注塑成型方式注塑在第二层阴极绝缘边框92上，通过上述方式能够更好地保证一体成型，从而保证装堆过程中的密封圈的对齐一致性，从而更好地改善电堆的受力均匀性，提高密封可靠性。

在其中一个实施方式中，第一层阳极绝缘边框81的厚度小于第二层阳极绝缘边框82的厚度，第一层阴极绝缘边框91的厚度小于第二层阴极绝缘边框92的厚度。

阳极气体扩散层4是贴合在第一层阳极绝缘边框81上，第一层阳极绝缘边框81厚度相对第二层较薄，可以使得阳极气体扩散层4在电堆中的压缩量可以有效控制，尤其是可以有效降低两者在垂直方向重叠区域的接触应力；也利于匹配更薄材料的气体扩散层，从而提高膜电极性能，更薄的绝缘边框材质其弹性模量与质子膜相近，可以缓解膜电极在运行过程中干湿交变带来的平面方向的应力应变；

同样的，阴极气体扩散层5是贴合在第一层阴极绝缘边框91上，第一层阴极绝缘边框91厚度相对第二层较薄，可以使得阴极气体扩散层5在电堆中的压缩量可以有效控制，尤其是可以有效降低两者在垂直方向重叠区域的接触应力；也利于匹配更薄材料的气体扩散层，从而提高膜电极性能，更薄的绝缘边框材质其弹性模量与质子膜相近，可以缓解膜电极在运行过程中干湿交变带来的平面方向的应力应变。

在其中一个实施方式中，第一层阳极绝缘边框81的厚度为0.025～0.04mm，所述第二层阳极绝缘边框82的厚度为0.05～0.1mm。

在其中一个实施方式中，第一层阴极绝缘边框91的厚度为0.025～0.04mm，第二层阴极绝缘边框92的厚度为0.05～0.1mm。

第一层阳极绝缘边框81(或第一层阴极绝缘边框91)是与质子膜接触的边框材料，需要其弹性模量与质子膜尽量接近，以缓解MEA在实际使用过程中因为干湿交变引起的质子膜的溶胀收缩，如果第一层阳极绝缘边框81(或第一层阴极绝缘边框91)太厚不利于环境质子膜的溶胀收缩力；对于第二层阳极绝缘边框82(或第二层阴极绝缘边框92)是与密封圈接触的，如果太薄，其刚度不够，在装堆过程中会发生平移导致装堆一致性不佳；另外第二层阳极绝缘边框82(或第二层阴极绝缘边框92)也要匹配对应的气体扩散层的厚度与密封圈的厚度、保证反应区域的压缩量和密封胶圈的密封压缩量。因此上述绝缘边框的厚度范围不可以过大或过小，上述厚度范围的选择可以很好的满足要求。

在其中一个实施方式中，第一层阳极绝缘边框81、第二层阳极绝缘边框82、第一层阴极绝缘边框91和第二层阴极绝缘边框92的总厚度为0.15mm～0.25mm。上述总厚度需要匹配气体扩散层厚度与密封圈厚度，同时满足阳极绝缘边框密封圈83和阴极绝缘边框密封圈93的注塑要求。

在其中一个实施方式中，密封连接部11的上表面和第一层阳极绝缘边框81之间无催化层覆盖，密封连接部11的下表面和第一层阴极绝缘边框91之间无催化层覆盖，也即质子交换膜1的边缘处的密封连接部11的上下面是不进行催化层覆盖的，仅在质子交换膜1中部的上下面进行催化层覆盖作为反应区域，从而可以有效节约材料。

在其中一个实施方式中，第一层阳极绝缘边框81和第一层阴极绝缘边框91均采用PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)膜，第二层阳极绝缘边框82采用PEN膜或PI(聚酰亚胺)膜，第二层阴极绝缘边框92采用PEN膜或PI膜。PEN膜具有很好的物理机械性能、气体阻隔性能、化学稳定性及耐热性等。第二层边框膜主要是与第一层边框膜接触，能保障相应的化学稳定性、耐热、阻气功能即可。

在其中一个实施方式中，阳极气体扩散层4厚度为0.16～0.26mm，阴极气体扩散层5厚度为0.16～0.26mm。

气体扩散层是起到导电导热、气体分配、排出反应生成水等作用；厚度过大，其气体透过率可能就降低、其排水性能也降低；厚度过小，虽然透气性、排水性提高了，但是对应的边框与密封区域的密封性就降低了，另外可能会因为接触不到会导致膜电极性能降低；因此，阳极气体扩散层4和阴极气体扩散层5厚度不宜过大或过小，上述厚度范围的选择可以很好的满足要求。

在其中一个实施方式中，阳极绝缘边框密封圈83厚度为0.1～0.3mm，宽度为1～3mm；所述阴极绝缘边框密封圈93厚度在0.1～0.3mm，宽度为1～3mm。

密封圈厚度太小，对于成堆工艺要求更高，不然会出现气密性不良，引起氢气外漏的安全风险；密封圈厚度太大，会导致局部压力过高，导致双极板变形、损坏等，密封圈厚度、与边框厚度、与气体扩散层厚度之间有一个匹配性；上述密封圈厚度范围的选择是经研究得出，可以很好地满足需求。

在其中一个实施方式中，如图2所示，第一层阳极绝缘边框81和阳极气体扩散层4的粘结长度L1为2～6mm；第一层阴极绝缘边框91和阴极气体扩散层5的粘结长度L2为2～6mm，以更好地保证阳极气体扩散层4和相应的第一层阳极绝缘边框81的重叠区域的受力均匀性，同时也更好地保证阴极气体扩散层5和相应的第一层阴极绝缘边框91的重叠区域的受力均匀性。

上述粘合区域在装堆时，其局部的受力是最大的；粘合区域过长，重叠的区域就越大，局部受力也越大，粘合区域过小，局部受力虽然有所降低，但是易发生气体扩散层被压坏的现象，因此，粘结长度不宜过大或过小，上述长度范围的选择可以很好的满足要求。

进一步地，第一层阳极绝缘边框81和阳极气体扩散层4的粘结长度为4mm；第一层阴极绝缘边框91和所述阴极气体扩散层5的粘结长度为4mm。

在其中一个实施方式中，阳极气体扩散层4通过液态硅胶点胶形式与第一层阳极绝缘边框81粘合，阴极极气体扩散层通过液态硅胶点胶形式与第一层阴极极绝缘边框粘合；

在其中一个实施方式中，阳极第二层绝缘边框与第一层阳极绝缘边框81通过背胶粘合密封，第二层阴极绝缘边框92和第一层阴极绝缘边框91通过背胶粘合密封。

另外，上述实施例中需控制阳极绝缘边框密封圈83厚度尺寸和阴极绝缘边框密封圈93的厚度尺寸。在电堆组装完成受力状态，阳极绝缘边框密封圈83的压缩量控制在20％～35％，阴极绝缘边框密封圈93的压缩量控制在20％～35％，阳极气体扩散层4的压缩量控制在15％～20％，阴极气体扩散层5的压缩量控制在15％～20％。如果压缩量不足会导致密封性能降低，出现反应气体外漏，造成严重的安全隐患，如果压缩量太大会导致局部接触压力会很高，可能会破坏双极板结构。

参阅图3所示，本实施例还公开了一种燃料电池单电池，包括阳极双极板6、阴极双极板7和上述膜电极组件，膜电极组件设置在阳极双极板6和阴极双极板7之间，阳极气体扩散层4位于第一层阳极绝缘边框81和阳极双极板6之间，阴极气体扩散层5位于第一层阴极绝缘边框91和阴极双极板7之间。

上述实施例的膜电极组件，具有较好的受力均匀性和较高的密封性能，综合性能较好，可以有效提高膜电极组件的使用寿命。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种膜电极组件，包括质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层，所述质子交换膜的上表面涂布有阳极催化层，所述质子交换膜的下表面涂布有阴极催化层，其特征在于：

所述质子交换膜的边缘处形成密封连接部，所述密封连接部的上表面粘结有阳极边框密封组件，所述密封连接部的下表面表面粘结有阴极边框密封组件；

所述阳极边框密封组件包括依次粘结的第一层阳极绝缘边框和第二层阳极绝缘边框，所述第二层阳极绝缘边框的外部注塑形成有阳极绝缘边框密封圈，所述阴极边框密封组件包括依次粘结的第一层阴极极绝缘边框和第二层阴极绝缘边框，所述第二层阴极绝缘边框的外部注塑形成有阴极绝缘边框密封圈；

所述密封连接部的上表面粘结有第一层阳极绝缘边框，所述密封连接部的下表面粘结有第一层阴极绝缘边框；

所述第一层阳极绝缘边框和所述阳极气体扩散层相粘结，所述第一层阴极极绝缘边框和所述阴极气体扩散层相粘结。

2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于：所述阳极绝缘边框密封圈通过液态硅胶注塑成型方式注塑在所述第二层阳极绝缘边框上，所述阴极绝缘边框密封圈通过液态硅胶注塑成型方式注塑在所述第二层阴极绝缘边框上。

3.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于：所述第一层阳极绝缘边框的厚度小于所述第二层阳极绝缘边框的厚度，所述第一层阴极绝缘边框的厚度小于所述第二层阴极绝缘边框的厚度。

4.根据权利要求3所述的膜电极组件，其特征在于：所述第一层阳极绝缘边框的厚度为0.025～0.04mm，所述第二层阳极绝缘边框的厚度为0.05～0.1mm。

5.根据权利要求3所述的膜电极组件，其特征在于：所述第一层阴极绝缘边框的厚度为0.025～0.04mm，所述第二层阴极绝缘边框的厚度为0.05～0.1mm。

6.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于：所述密封连接部的上表面和第一层阳极绝缘边框之间无催化层覆盖，所述密封连接部的下表面和第一层阴极绝缘边框之间无催化层覆盖。

7.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于：所述第一层阳极绝缘边框和第一层阴极绝缘边框均采用PEN膜，所述第二层阳极绝缘边框采用PEN膜或PI膜，所述第二层阴极绝缘边框采用PEN膜或PI膜。

8.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于：所述阳极气体扩散层厚度为0.16～0.26mm，所述阴极气体扩散层厚度为0.16～0.26mm。

9.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于：所述第一层阳极绝缘边框和所述阳极气体扩散层的粘结长度为2～6mm；所述第一层阴极绝缘边框和所述阴极气体扩散层的粘结长度为2～6mm。

10.一种燃料电池单电池，其特征在于，包括阳极双极板、阴极双极板和权利要求1-9任一项所述的膜电极组件，所述膜电极组件设置在所述阳极双极板和阴极双极板之间，所述阳极气体扩散层位于所述第一层阳极绝缘边框和阳极双极板之间，所述阴极气体扩散层位于所述第一层阴极绝缘边框和阴极双极板之间。

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