CN115411321A - 一种新型mea封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型MEA封装结构，阳极气体扩散层的边缘搭接至阳极密封边框中心镂空区的边缘形成搭接区，所述搭接区宽度为1～2mm；阴极密封边框中心镂空区的尺寸不小于阴极气体扩散层的尺寸；所述阴极气体扩散层的尺寸不小于所述阳极气体扩散层的尺寸。本发明的技术方案解决了现有技术中MEA封装结构存在的应力集中或不易装配等问题。

Description

一种新型MEA封装结构

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种新型MEA封装结构。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因具有结构紧凑、功率密度高、环保无污染和可室温启动等优点而被认为最有希望应用于车载动力系统及固定电站等领域。若要实现PEMFC的商业化应用，不仅要满足性能方面的要求，还必须具备良好的稳定性。作为离子传递主要场所和阴阳极气体分隔部件，质子交换膜的耐久性直接影响着整个燃料电池运行的可靠性。

膜电极组件(MEA)作为PEMFC的核心部件，直接决定了燃料电池的性能和耐久性。质子交换膜在MEA中主要起到传输质子和分隔阴阳极气体的作用，其通常很薄且很容易被刺破。因此，在膜电极组件的外边缘通常会采用密封边框保护质子交换膜和提升机械支撑强度以便于电池组装。该密封边框一般是由聚合物材料PET或PEN所制备而来的。

质子交换膜的衰减分为机械衰减和化学衰减两方面，其中机械衰减主要是指质子交换膜在燃料电池运行过程中因为膜内含水量的不同导致质子交换膜溶胀和收缩所引起的阻气性衰减。由于在气体扩散层与质子交换膜搭接位置和密封边框与质子交换膜的搭接位置处均存在明显的剪切力，从而导致该位置成为机械薄弱点，即最有可能发生失效的区域。

第一种常规的MEA封装结构如图1所示，封装过程为：首先在质子交换膜1的两侧分别涂布阳极催化层2和阴极催化层3，制备出具有三层结构的催化剂涂覆膜(CCM)；然后通过带有胶层的阳极密封边框4和阴极密封边框5将CCM固定成型形成五合一结构；最后，将阳极气体扩散层6和阴极气体扩散层7分别通过热压的方式固定到CCM表面，从而形成完整的MEA结构。这种MEA封装结构在气体扩散层与密封边框内侧边缘会对该位置的质子交换膜形成多重剪切，在燃料电池运行过程中随着膜内水含量的上升所引起的溶胀导致该处机械应力过于集中，从而导致质子交换膜阻气性下降速率增大。此外，由于气体扩散层基底一般为碳纤维，在裁切过程中其截断面上会形成较多锋利的毛刺，也有可能在MEA制备或者燃料电池运行过程中刺破质子交换膜。

第二种常规的MEA封装结构如图2所示，封装过程为：首先在质子交换膜1的两侧分别涂布阳极催化层2和阴极催化层3，制备出具有三层结构的催化剂涂覆膜(CCM)；然后通过带有胶层的阳极密封边框4和阴极密封边框5将CCM固定成型形成五合一结构；最后，将阳极气体扩散层6和阴极气体扩散层7分别通过点胶的方式固定到密封边框上方，从而形成完整的MEA结构。这种MEA封装结构相较于第一种常规的MEA封装结构可以有效规避气体扩散层边缘带来的应力集中和截断面毛刺带来损伤，但其会导致气体扩散层与密封边框搭接区域由于厚度增加导致的组装力过大，不利于燃料电池装配。此外，由于气体扩散层与密封边框之间粘接力较差，一般需要在边框搭接区域进行点胶以防止气体扩散层脱落。

发明内容

根据上述提出现有MEA封装结构存在的应力集中或不易装配等技术问题，而提供一种新型MEA封装结构。

本发明采用的技术手段如下：

一种新型MEA封装结构，阳极气体扩散层的边缘搭接至阳极密封边框中心镂空区的边缘形成搭接区，所述搭接区宽度为1～2mm；阴极密封边框中心镂空区的尺寸不小于阴极气体扩散层的尺寸；所述阴极气体扩散层的尺寸不小于所述阳极气体扩散层的尺寸。

进一步地，所述阳极气体扩散层还包括嵌入所述阳极密封边框中心镂空区的凸台结构。

进一步地，所述阴极气体扩散层嵌入所述阴极密封边框中心镂空区。

进一步地，阳极催化层边缘与所述阳极密封边框中心镂空区边缘之间间隔一定距离形成扩散层粘接区Ⅰ，所述凸台结构在所述扩散层粘接区Ⅰ对应至质子交换膜上的区域内粘接于所述质子交换膜。

进一步地，所述扩散层粘接区Ⅰ的宽度不小于1mm。

进一步地，阴极催化层边缘与所述阴极密封边框中心镂空区边缘之间间隔一定距离形成扩散层粘接区Ⅱ，所述阴极气体扩散层在所述扩散层粘接区Ⅱ对应至质子交换膜上的区域内粘接于所述质子交换膜。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的新型MEA封装结构，阳极侧气体扩散层搭接在边框上，可以避免阳极气体扩散层对质子交换膜的剪切或者边缘毛刺对质子交换膜的破坏；阳极气体扩散层单侧搭接区域宽度不大于2mm，避免搭接区域过宽导致搭接区域组装力占比过高；阳极气体扩散层单侧搭接区域宽度不小于1mm，防止操作时由于定位不准导致部分区域无法实现搭接效果。

2、本发明提供的新型MEA封装结构，质子交换膜在阳极侧仅受阳极密封边框剪切影响，其剪切位置不存在来自阴极侧的剪切作用，会明显降低边缘应力带来的机械损伤。

3、考虑到气体扩散层与质子交换膜之间的粘结效果明显优于气体扩散层与催化层之间的粘结效果，本发明提供的新型MEA封装结构，在活性区边缘留取部分未涂覆催化层的质子交换膜区域，可以增强气体扩散层与质子交换膜之间的粘结效果，从而取消常规搭接结构需要点胶的工艺，操作更为方便。

基于上述理由本发明可在质子交换膜燃料电池领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为第一种常规的MEA封装结构示意图。

图2为第二种常规的MEA封装结构示意图。

图3为本发明实施例1所述新型MEA封装结构示意图。

图4为本发明实施例2所述新型MEA封装结构示意图。

图5为本发明实施例1所述新型封装结构MEA与图2所示常规封装结构MEA加速耐久性对比图。

图中：1、质子交换膜；2、阳极催化层；3、阴极催化层；4、阳极密封边框；5、阴极密封边框；6、阳极气体扩散层；7、阴极气体扩散层。

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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

本发明提供了一种新型MEA封装结构，包括依次层叠的阳极气体扩散层6、阳极催化层2、质子交换膜1、阴极催化层3和阴极气体扩散层7，所述质子交换膜1两侧还设置有阳极密封边框4和阴极密封边框5；所述阳极密封边框4和所述阴极密封边框5均设置有中心镂空区；所述阳极催化层2和所述阴极催化层3为采用Pt/C催化剂和

溶液按一定比例配制的浆料在所述质子交换膜1表面制备而成，所述阳极催化层2和所述阴极催化层3的尺寸完全一致，且在所述质子交换膜1上的正投影完全重合，所述质子交换膜1、所述阳极催化层2和所述阴极催化层3合称为催化层涂覆膜(CCM)；

所述阳极气体扩散层6的边缘搭接至所述阳极密封边框4中心镂空区的边缘形成搭接区，所述搭接区宽度为1～2mm；所述阴极密封边框5中心镂空区的尺寸不小于所述阴极气体扩散层7的尺寸，从而保证所述阴极气体扩散层可以完全嵌入所述阴极密封边框中心镂空区，而不出现搭接；所述阴极气体扩散层7的尺寸不小于所述阳极气体扩散层6的尺寸。

进一步地，所述阳极气体扩散层6还包括嵌入所述阳极密封边框4中心镂空区的凸台结构。

进一步地，所述阴极气体扩散层7嵌入所述阴极密封边框5中心镂空区，不存在任何搭接区。

本发明提供的封装结构中，质子交换膜在阳极侧仅受阳极密封边框剪切影响，其剪切位置不存在来自阴极侧的剪切作用，会明显降低边缘应力带来的机械损伤；由于在燃料电池运行过程中，一般阳极侧气体压力高于阴极侧气体压力，所以阳极侧密封边框对质子交换膜的剪切作用也会变弱；

本发明中，阴极气体扩散层与阴极密封边框的剪切位置相比于阳极气体扩散层与阳极密封边框的剪切位置靠外，不是完全对齐的，因此质子交换膜在阴极侧仅受阴极气体扩散层剪切影响，其剪切位置不存在来自阳极侧的剪切作用，而且阳极密封边框会为质子交换膜提供有效机械支撑，从而能够降低阴极气体扩散层引起的剪切作用；即使阴极侧气体扩散层由于边缘毛刺刺穿质子交换膜，阴极密封边框中的胶层也可以实现密封效果，保证两侧气体不会发生串漏。

进一步地，所述阳极催化层2边缘与所述阳极密封边框4中心镂空区边缘之间间隔一定距离形成扩散层粘接区Ⅰ，所述凸台结构在所述扩散层粘接区Ⅰ对应至质子交换膜1上的区域内粘接于所述质子交换膜1。

进一步地，所述扩散层粘接区Ⅰ的宽度不小于1mm。

进一步地，所述阴极催化层3边缘与所述阴极密封边框5中心镂空区边缘之间间隔一定距离形成扩散层粘接区Ⅱ，所述阴极气体扩散层7在所述扩散层粘接区Ⅱ对应至质子交换膜1上的区域内粘接于所述质子交换膜1。

虑到气体扩散层与质子交换膜之间的粘结效果明显优于气体扩散层与催化层之间的粘结效果，本发明提供的新型MEA封装结构，在质子交换膜的活性区边缘留取部分未涂覆催化层的区域(扩散层粘接区Ⅰ/Ⅱ)，通过热压的方式使气体扩散层在扩散层粘接区粘接于质子交换膜，从而增强气体扩散层与质子交换膜之间的粘结效果，可以替代常规搭接结构需要点胶的工艺，操作更为方便。

如图3所示，在本实施例中，所述搭接区宽度为2mm。

进一步地，所述扩散层粘接区Ⅰ的宽度为2mm，所述阳极催化层2边缘与所述阳极气体扩散层6的外边缘之间的距离为4mm。

进一步地，所述阴极密封边框5中心镂空区的尺寸大于所述阴极气体扩散层7的尺寸，所述阴极密封边框5中心镂空区边缘与所述阴极气体扩散层7边缘之间间隔的距离为0.5mm。

进一步地，所述阴极气体扩散层7的尺寸等于所述阳极气体扩散层6的尺寸，所述阴极气体扩散层7和所述阳极气体扩散层6在质子交换膜1上的正投影完全重合。

组装本实施例所述封装结构时，如图3所示，在制备好所述CCM后，采用所述阳极密封边框4和所述阴极密封边框5将所述CCM进行夹持固定，将所述阳极气体扩散层6搭接到所述阳极密封边框4上，将所述阴极气体扩散层7嵌入到所述阴极密封边框5内，然后在压机上进行热压，热压温度为120℃，热压压强为1MPa，持续60s，最终制得成型MEA。

采用完全相同的材料，按图2所示结构制得MEA，作为对比例1。

分别采用实施例1所得MEA和对比例1所得MEA，组装成单电池，在90℃、30％RH条件下，向电池中一侧通入空气，另一侧通入氢气，测试单电池开路电压变化，由于两种结构MEA采用了同样的材料，因此导致电池开路电压衰减速率不同的原因在于二者结构不同所带来的可靠性差异，从图5中结果可以看出，实施例1所得MEA可靠性得到明显提升。

实施例2

如图4所示，本实施例与实施例1的区别仅在于所述阴极气体扩散层7的尺寸大于所述阳极气体扩散层6的尺寸，能够降低安装时的定位难度，便于实施。

进一步地，所述阴极气体扩散层7和所述阳极气体扩散层6在质子交换膜1上的正投影相对的边缘的距离为2mm。

本实施例所述封装结构的组装过程与实施例1相同，在此不再复述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种新型MEA封装结构，其特征在于，阳极气体扩散层的边缘搭接至阳极密封边框中心镂空区的边缘形成搭接区，所述搭接区宽度为1～2mm；阴极密封边框中心镂空区的尺寸不小于阴极气体扩散层的尺寸；所述阴极气体扩散层的尺寸不小于所述阳极气体扩散层的尺寸。

2.根据权利要求1所述的新型MEA封装结构，其特征在于，所述阳极气体扩散层还包括嵌入所述阳极密封边框中心镂空区的凸台结构。

3.根据权利要求1所述的新型MEA封装结构，其特征在于，所述阴极气体扩散层嵌入所述阴极密封边框中心镂空区。

4.根据权利要求2所述的新型MEA封装结构，其特征在于，阳极催化层边缘与所述阳极密封边框中心镂空区边缘之间间隔一定距离形成扩散层粘接区Ⅰ，所述凸台结构在所述扩散层粘接区Ⅰ对应至质子交换膜上的区域内粘接于所述质子交换膜。

5.根据权利要求4所述的新型MEA封装结构，其特征在于，所述扩散层粘接区Ⅰ的宽度不小于1mm。

6.根据权利要求1所述的新型MEA封装结构，其特征在于，阴极催化层边缘与所述阴极密封边框中心镂空区边缘之间间隔一定距离形成扩散层粘接区Ⅱ，所述阴极气体扩散层在所述扩散层粘接区Ⅱ对应至质子交换膜上的区域内粘接于所述质子交换膜。

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