CN116581346A - 一种膜电极结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膜电极结构，涉及燃料电池技术领域，所述膜电极结构包括边框和膜电极主体，边框内设置有镂空形成的活性区域，膜电极主体设置在活性区域内；膜电极主体包括CCM层、附着在CCM层上表面的第一扩散层以及附着在CCM层下表面的第二扩散层；第一扩散层覆盖在CCM层上表面的中部位置，且第一扩散层与CCM层形成阶梯状结构；活性区域的四周向内凹陷形成沉台结构，膜电极主体基于阶梯状结构贴合在活性区域的沉台结构上。膜电极通过在边框的活性区域设置沉台结构，配合膜电极主体的阶梯结构将膜电极主体嵌合在边框内，减少边框和膜电极主体热压时的应力集中，从而降低膜电极主体应力受损的风险，提高膜电极的耐久性。
Description
技术领域
本发明主要涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种膜电极结构。
背景技术
膜电极结构（Membrane-Electrode Assembly，MEA）是组件质子交换膜燃料电池的核心，膜电极结构组件通常的结构为：阴极气体扩散层-阴极边框膜-阴极催化层-质子交换膜-阳极催化层-阳极边框膜-阳极气体扩散层，称为七层膜电极结构，按照不同的结构还可分为膜电极主体结构（阴极边框膜-阴极催化层-质子交换膜-阳极催化层-阳极边框膜）和三层膜电极结构（阴极催化层-质子交换膜-阳极催化层）。
目前的膜电极结构一般在膜电极主体的两侧设置边框膜，以热压方式进行组装固定，从而达到膜电极结构的支撑和密封效果，在热压过程中，边框膜和膜电极主体接触位置会产生应力集中，容易导致膜电极结构出现应力损伤，从而降低膜电极结构的耐久性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种膜电极结构，通过在边框的活性区域设置沉台结构，配合膜电极主体的阶梯结构将膜电极主体嵌合在边框内，减少边框和膜电极主体热压时的应力集中，从而降低膜电极主体应力受损的风险，提高膜电极结构的耐久性。
本发明提供了一种膜电极结构，所述膜电极结构包括边框和膜电极主体，所述边框内设置有镂空形成的活性区域，所述膜电极主体设置在所述活性区域内；
所述膜电极主体包括CCM层、附着在所述CCM层上表面的第一扩散层以及附着在CCM层下表面的第二扩散层；
所述第一扩散层覆盖在所述CCM层上表面的中部位置，且所述第一扩散层与所述CCM层形成阶梯状结构；
所述活性区域的四周向内凹陷形成沉台结构，所述膜电极主体基于所述阶梯状结构贴合在所述活性区域的沉台结构上。
进一步的，所述边框的厚度为h，所述h的取值范围为：200μm≤h≤400μm。
进一步的，所述边框为一体硫化成型的橡胶边框；
所述边框的材质为乙丙橡胶，或所述边框材质为氟橡胶，或所述边框材质为橡塑弹性体。
进一步的，所述第一扩散层为阳极气体扩散层，所述第二扩散层为阴极气体扩散层；
或所述第一扩散层为阴极气体扩散层，所述第二扩散层为阳极气体扩散层。
进一步的，所述膜电极结构基于所述第一扩散层和所述第二扩散层形成有阳极侧和阴极侧；
所述膜电极结构的阳极侧设置双线密封圈。
进一步的，所述沉台结构的深度为h1，所述CCM层和所述第二扩散层的压缩态厚度之和为h2；
所述h1和所述h2的约束关系为：h1=h2。
进一步的，所述第一扩散层嵌合在所述活性区域内，且所述第一扩散层与所述活性区域为间隙配合。
进一步的，所述第二扩散层的上表面面积与所述CCM层的下表面面积相同。
进一步的，所述CCM层基于胶黏剂粘接在所述沉台台面上。
进一步的，所述胶黏剂为橡胶偶联剂，或所述胶黏剂为聚烯烃粘胶，或所述胶黏剂为马林酸树脂，或所述胶黏剂为光固化胶黏剂。
本发明提供了一种膜电极结构，通过在边框的活性区域设置沉台结构，配合膜电极主体的阶梯结构将膜电极主体嵌合在边框内，减少边框和膜电极主体热压时的应力集中，从而降低膜电极主体应力受损的风险，提高膜电极结构的耐久性。
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作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中膜电极结构的示意图；
图2是本发明实施例中边框结构的示意图；
图3是本发明实施例中膜电极主体结构的示意图；
图4是本发明实施例中膜电极结构制备方法流程图。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明实施例中膜电极结构的示意图；图2示出了本发明实施例中边框1结构的示意图；图3示出了本发明实施例中膜电极主体2结构的示意图。所述膜电极结构包括边框1和膜电极主体2，所述边框1内设置有镂空形成的活性区域11，所述膜电极主体2设置在所述活性区域11内。
进一步的，所述膜电极结构设置为单个边框1和单个膜电极主体2，所述膜电极主体2设置在所述边框1的活性区域11内，即所述膜电极主体2嵌合在所述边框1内。
所述膜电极主体2包括CCM层23、附着在所述CCM层23上表面的第一扩散层21以及附着在CCM层23下表面的第二扩散层22，所述第一扩散层21为阳极气体扩散层，所述第二扩散层22为阴极气体扩散层；或所述第一扩散层21为阴极气体扩散层，所述第二扩散层22为阳极气体扩散层。在本实施例中，所述第一扩散层21为阳极气体扩散层，所述第二扩散层22为阴极气体扩散层，
进一步的，所述CCM层23(catalyst-coated membrane)为催化剂涂覆膜，即通过涂覆的方式将催化剂覆盖在质子膜的上下表面，从而在质子膜上下表面形成催化层。
具体的，所述膜电极主体2嵌合在所述边框1内，所述第一扩散层21的上表面基于所述活性区域11裸露在所述边框1的上表面，所述第二扩散层22的下表面基于所述沉台结构12裸露在所述边框1的下表面，所述边框1基于所述第一扩散层21和所述第二扩散层22形成有阴极侧和阳极侧，即所述边框1的上表面设置为所述边框1的阳极侧，所述边框1的下表面设置为所述边框1的阴极侧。
进一步的，将所述膜电极结构封装后，氢气进入到所述边框1的阳极侧，在所述第一扩散层21的作用下接触所述CCM层23表面的催化剂，在所述催化剂的催化作用下发生阳极氧化反应；而空气或氧气进入所述边框1的阴极侧，在所述第二扩散层22的作用下接触所述CCM层23表面的催化剂，并在所述催化剂的催化作用下发生阴极还原反应，在此过程中，析出的电子可以接入外部电路从而达到产生电能的效果。
进一步的，所述CCM层23的催化剂与质子膜结合牢固，不容易脱落，可以有效改善催化层与质子膜之间的界面电阻，降低质子在界面上的传输阻力，从而提高膜电极结构的性能。
具体的，所述第一扩散层21覆盖在所述CCM层23上表面的中部位置，且所述第一扩散层21与所述CCM层23形成阶梯状结构，即所述第一扩散层21的四周裸露出所述CCM层23上表面的部分区域；所述活性区域11的四周向内凹陷形成沉台结构12，所述膜电极主体2基于所述阶梯状结构贴合在所述活性区域11的沉台结构12上，所述CCM层23以及所述第二扩散层22嵌合在所述沉台结构12内，所述第一扩散层21嵌合在所述活性区域11内，通过将膜电极主体2嵌合设置在所述边框1内，可以减少膜电极结构的整体尺寸，提高膜电极结构的安装便捷性。
进一步的，通过嵌合的方式将膜电极主体2设置在边框1内，使得单个边框1能够满足膜电极结构的支撑效果，从而降低膜电极主体2和边框1压合时的接触应力，降低膜电极主体2应力受损的风险。
进一步的，通过设置单边框1的结构，将所述膜电极主体2嵌合在边框1内，提高膜电极主体2和边框1连接的便捷性，降低胶黏剂、边框1材料等物料的使用量，从而减低所述膜电极结构的制备成本。
具体的，所述边框1可以为一体硫化成型的橡胶边框1，通过硫化加工强化所述橡胶边框1的硬度、拉力以及抗老化等性能，从而提高所述边框1的耐久性，所述边框1的材质可以为乙丙橡胶，所述边框1的材质也可以为氟橡胶，所述边框1的材质还可以为橡塑弹性体，所述乙丙橡胶、氟橡胶和所述橡塑弹性体具有良好的耐久性，通过乙丙橡胶、或者氟橡胶或橡塑弹性体制成的一体化边框1，可以提高边框1的耐久性能，从而提高所述膜电极结构的耐久性。
进一步的， 所述橡塑弹性体(Thermoplastic rubber)可以为TPO（烯烃类弹性体），也可以为TPE（热塑性弹性体），具有耐高温、耐水解以及良好耐久性等特性，能够满足膜电极结构的使用需求。
进一步的，所述边框1的厚度为h，所述h的取值范围为：200μm≤h≤400μm，可以通过调整所述边框1的厚度大小，使得所述边框1适用于不同尺寸膜电极结构的加工需求。
进一步的，所述边框1沉台结构12的内壁与所述CCM层23的外壁之间通过偶联剂表面处理后，通过胶黏剂对边框1和CCM层23进行密封和连接，从而达到密封效果，使得所述CCM层23能够隔绝所述第一扩散层21和第二扩散层22，提高所述膜电极结构使用时的可靠性。
进一步的，所述胶黏剂可以为橡胶偶联剂，可以提高所述边框1的耐磨性和抗老化性能；所述胶黏剂也可以为聚烯烃粘胶，通过接触面的分子间的张力进行粘接，可以提高所述第二扩散层22和沉台结构12之间的粘接可靠性；所述胶黏剂还可以为马林酸树脂，粘合固化后具有强度大的特性，能够有效提高膜电极结构连接结构的稳定性；所述胶黏剂还可以为光固化胶黏剂，所述光固化胶黏剂可以配合透明橡塑弹性体材料达到良好的密封效果，进一步简化生产工艺提高生产效率。
由于在本实施例中，边框1上的沉台结构12和膜电极主体2的阶梯结构配合，膜电极主体2上CCM层23和边框1的贴合，第一扩散层21和边框1上活性区域11内壁的贴合以及第二扩散层22与边框1沉台结构12内壁的贴合等，使得膜电极主体2嵌合在边框1内部，降低膜电极结构层叠结构的厚度积累，从而降低膜电极主体2应力受损的风险，提高膜电极结构的耐久性能。
具体的，所述第二扩散层22上表面的面积与所述CCM层23下表面的面积相同，即所述第二扩散层22可以完全覆盖所述CCM层23的下表面，所述第一扩散层21的尺寸与所述活性区域11的尺寸相同，且所述第一扩散层21与所述活性区域11为间隙配合，提高所述膜电极主体2与所述边框1嵌合的便捷性。
进一步的，所述第一扩散层21和所述活性区域11之间设置为间隙配合，可以便于在所述第一扩散层21和所述活性区域11之间填充胶黏剂进行连接固定和密封，从而提高所述膜电极主体2和所述边框1的连接稳定性和密封性。
进一步的，所述边框1的阳极侧设置有双线密封圈，所述双线密封圈可以提高所述边框1阳极侧的密封性能，从而提高所述电堆装配过程中膜电极与双极板之间密封的可靠性。
具体的，所述沉台结构12的深度为h1，所述CCM层23和所述第二扩散层22的压缩态厚度之和为h2，所述h1和所述h2之间的约束关系为：h1=h2，即所述沉台结构12的深度与所述CCM层23以及所述第一扩散层21的厚度之和相同，使得所述膜电极主体2贴合在所述沉台结构12后，所述第二扩散层22的下表面与所述边框1的下表面平齐，可以减少所述膜电极结构内多层结构层叠设置累积厚度造成的应力集中，从而降低膜电极结构内部结构应力受损的风险，提高所述膜电极结构的耐久性和可靠性。
进一步的，所述第一扩散层21与所述边框1的活性区域11相适配，使得所述第一扩散层21的上表面和所述边框1的上表面平齐，减少膜电极结构层叠结构积累厚度的应力集中，降低膜电极结构应力受损的风险。
进一步的，在本实施例中，所述边框1的活性区域11等距向外扩展预设宽度形成所述沉台结构12的加工区域，所述预设宽度为5mm，所述膜电极主体2的CCM层23上表面的裸露区域的宽度为4mm，即所述膜电极主体2嵌合在所述边框1的沉台结构12时，所述膜电极结构的CCM层23外壁与所述沉台结构12的内壁之间间隙为1mm，通过预留所述1mm的间隙，以便在所述CCM层23和所述沉台结构12之间填充胶黏剂，使得所述CCM层23和所述沉台结构12之间能够稳定连接。
具体的，所述边框1的阳极侧设置有凸起13，在进行膜电极结构的封装时，所述边框1阳极侧的凸起13结构可以与所述双极板装配时实现可靠的氢气密封。
本发明实施例提供了一种膜电极结构，所述膜电极结构通过设置单边框1结构，在单边框1内设置活性区域11以及沉台结构12，配合带有阶梯结构的膜电极主体2，将膜电极主体2嵌合在边框1内，减少膜电极结构整体厚度，避免所述膜电极结构的局部位置厚度过高导致应力集中，从而减少膜电极主体2和边框1之间的应力集中，降低膜电极结构应力受损的风险，从而提高所述膜电极结构的耐久性和可靠性。
实施例二：
图4示出了本发明实施例中膜电极结构制备方法流程图，所述制备方法包括：
S11：通过一体硫化成型得到边框1，所述边框1包括镂空结构形成的活性区域11，以及围绕所述活性区域11的沉台结构12。
具体的，将橡胶原料放置在预设的模具中，并对橡胶进行硫化处理，待橡胶成型后进行脱模，得到一体硫化成型的边框1。所述边框1设置有镂空结构形成的活性区域11，以及围绕所述活性区域11的沉台结构12。
进一步的，所述边框1的材质可以为乙丙橡胶或氟橡胶，也可以为橡塑弹性体，所述乙丙橡胶、氟橡胶以及橡塑弹性体具有良好的耐久性。
S12：根据沉台结构12的尺寸制备质子交换膜，并在质子交换膜表面涂覆催化剂形成CCM层23。
具体的，在质子交换膜的上下表面均匀涂覆催化剂，使得催化剂覆盖在所述质子交换膜上形成催化层，从而形成CCM层23结构。
S13：根据所述活性区域11的尺寸裁剪第一扩散层21，根据所述CCM层23的尺寸裁剪第二扩散层22。
具体的，根据所述活性区域11的尺寸裁剪第一扩散层21，使得第一扩散层21的尺寸与所述活性区域11相适配，根据所述CCM层23的尺寸裁剪第二扩散层22，使得所述第二扩散层22能够将所述CCM层23的下表面完全覆盖。
进一步的，所述第一扩散层21的尺寸小于所述第二扩散层22。
进一步的，所述第一扩散层21可以为阳极气体扩散层，所述第二扩散层22可以为阴极气体扩散层。
S14：将第一扩散层21贴合在CCM层23的上表面的中部位置，将第二扩散层22贴合在所述CCM层23的下表面，形成具有阶梯结构的膜电极主体2。
具体的，将所述第一扩散层21贴合在所述CCM层23的中部位置，将第二扩散层22贴合在所述CCM层23的下表面，通过热压的方式将第一扩散层21和第二扩散层22固定在CCM层23上，从而形成膜电极主体2。
进一步的，所述第一扩散层21覆盖在所述CCM层23上表面的中部位置，使得所述第一扩散层21的四周裸露出部分所述CCM层23的上表面，从而在所述膜电极主体2上形成阶梯结构。
进一步的，所述第一扩散层21和第二扩散层22可以通过胶黏剂固定在所述CCM层23上，通过边缘点胶的方式将所述第一扩散层21和所述第二扩散层22粘合在所述CCM层23上，提高所述膜电极主体2的制备便捷性。
S15：在沉台结构的台面进行点胶操作。
具体的，在所述边框1沉台结构12的台面上点涂胶黏剂，将膜电极结构上裸露的CCM层23上表面对应贴合在所述沉台结构12的台面上，通过加热固化的方式将所述膜电极结构贴合固定在所述沉台结构12中，使得所述膜电极结构的第一扩散层21配合在所述活性区域11内，所述膜电极结构的CCM层23和第二扩散层22配合在所述沉台结构12内，即所述膜电极结构嵌合在所述边框1内。
进一步的，所述胶黏剂可以为光固化胶黏剂，通过紫外光照射可以完成胶黏剂的固化，提高所述边框1和膜电极主体2之间的连接便捷性。
进一步的，通过偶联剂对所述膜电极主体2的外壁以及所述沉台结构12内壁进行预处理，通过胶黏剂对膜电极主体2的外壁以及沉台结构12内壁进行密封连接，提高所述膜电极主体2中CCM层23与所述沉台结构12的内壁连接的结构稳定性和密封性，从而提高所述膜电极结构的可靠性。
S16：将膜电极主体2的阶梯结构与所述边框1的沉台结构12配合，使膜电极主体2嵌合在边框1内。
具体的，将所述膜电极主体2的阶梯结构和所述边框1的沉台结构12配合，使得膜电极主体2能够嵌合在所述边框1内，所述膜电极主体2上第二扩散层22的下表面与所述边框1的下表面平齐，所述膜电极主体2上第一扩散层21的上表面与所述边框1上表面平齐，降低膜电极结构层叠结构累积厚度带来的应力集中，从而降低膜电极结构出现应力受损的风险。
所述膜电极主体2可以基于所述胶黏剂粘合在所述边框1的沉台结构12上。
S17：对所述膜电极主体和所述边框进行加温加压固化或紫外光固化操作。
通过加温加压的方式使得所述边框1的沉台结构12和所述膜电极主体2之间的胶黏剂固化，或者通过紫外光照射的方式使得沉台结构12和膜电极主体2之间的光刻胶固化，使得所述沉台结构12和膜电极主体2连接为一体。
具体的，所述膜电极结构的制备方法还包括：在膜电极结构对应裸露出阳极气体扩散层的一侧面设置双线密封层，在进行膜电极结构的封装时，所述双线密封层可以提高阳极板和膜电极结构阳极侧的连接密封性，使得所述膜电极结构满足阳极气体高密封性的需求。
进一步的，在所述边框1上的阳极侧加工形成凸起13结构，在进行膜电极结构的封装时，所述凸起13结构可以与阳极板软接触，增加所述膜电极结构的抗冲击震动能力。
本发明实施例提供了一种膜电极结构的制备方法，所述制备方法通过在边框1内设置活性区域11以及围绕在所述活性区域11的沉台结构12，通过制备带有阶梯结构的膜电极主体2，将膜电极主体2的阶梯结构和边框1的沉台结构12配合，使得膜电极主体2嵌合在边框1内，减少了膜电极结构层叠结构的厚度，从而减少膜电极结构层叠结构的应力集中，降低膜电极结构的应力受损风险，提高所述膜电极结构的使用可靠性和耐久性。
另外，以上对本发明实施例所提供的一种膜电极结构进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种膜电极结构，其特征在于，所述膜电极结构包括边框和膜电极主体，所述边框内设置有镂空形成的活性区域，所述膜电极主体设置在所述活性区域内；
所述膜电极主体包括CCM层、附着在所述CCM层上表面的第一扩散层以及附着在CCM层下表面的第二扩散层；
所述第一扩散层覆盖在所述CCM层上表面的中部位置，且所述第一扩散层与所述CCM层形成阶梯状结构；
所述活性区域的四周向内凹陷形成沉台结构，所述膜电极主体基于所述阶梯状结构贴合在所述活性区域的沉台结构上。
2.如权利要求1所述的膜电极结构，其特征在于，所述边框的厚度为h，所述h的取值范围为：200μm≤h≤400μm。
3.如权利要求1所述的膜电极结构，其特征在于，所述边框为一体硫化成型的橡胶边框；
所述边框的材质为乙丙橡胶，或所述边框材质为氟橡胶，或所述边框材质为橡塑弹性体。
4.如权利要求1所述的膜电极结构，其特征在于，所述第一扩散层为阳极气体扩散层，所述第二扩散层为阴极气体扩散层；
或所述第一扩散层为阴极气体扩散层，所述第二扩散层为阳极气体扩散层。
5.如权利要求1所述的膜电极结构，其特征在于，所述膜电极结构基于所述第一扩散层和所述第二扩散层形成有阳极侧和阴极侧；
所述膜电极结构的阳极侧设置双线密封圈。
6.如权利要求1所述的膜电极结构，其特征在于，所述沉台结构的深度为h1，所述CCM层和所述第二扩散层的压缩态厚度之和为h2；
所述h1和所述h2的约束关系为：h1=h2。
7.如权利要求1所述的膜电极结构，其特征在于，所述第一扩散层嵌合在所述活性区域内，且所述第一扩散层与所述活性区域为间隙配合。
8.如权利要求1所述的膜电极结构，其特征在于，所述第二扩散层的上表面面积与所述CCM层的下表面面积相同。
9.如权利要求1所述的膜电极结构，其特征在于，所述CCM层基于胶黏剂粘接在所述沉台台面上。
10.如权利要求9所述的膜电极结构，其特征在于，所述胶黏剂为橡胶偶联剂，或所述胶黏剂为聚烯烃粘胶，或所述胶黏剂为马林酸树脂，或所述胶黏剂为光固化胶黏剂。
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