CN116666711A - 一种膜电极结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膜电极结构及其制造方法，包括：催化剂涂敷膜、扩散层、外边框和内边框。所述扩散层分别设置在所述催化剂涂敷膜的两侧；所述外边框设置在所述催化剂涂敷膜两侧，所述外边框的内径与所述扩散层的外径匹配；所述内边框位于所述催化剂涂敷膜和所述扩散层、外边框之间的位置，且所述内边框覆盖所述扩散层、外边框接触的区域。在催化剂涂敷膜的两侧引入内边框作为保护层，内边框覆盖扩散层、外边框交界的区域。首先能够阻隔扩散层、外边框的毛刺对于催化剂涂敷膜的影响，避免催化剂涂敷膜受到机械损伤。

Description

一种膜电极结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及膜电极技术领域，具体涉及一种膜电极结构及其制造方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种将氢能转化为电能的装置，其最终排放物仅有水，是清洁绿色无污染的发电装置，在汽车、船舶、轨道交通、固定基站、无人机等领域有广泛的应用前景。质子交换膜燃料电池内部的核心组件为膜电极组件，是其发电的最小组成单元。

膜电极组件(MEA，MembraneElectrode Assembly)又称膜电极，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，由极板、气体扩散层、催化层、质子交换膜组成。

如图1为现有的一种膜电极结构，其中间层为质子交换膜，质子交换膜的两侧为GDL(gas diffusion layer)、外边框，现有的膜电极通常采用叠合热压的方式进行处理。但是，该膜电极在生产过程中存在容易出现机械损伤或者质子交换膜穿孔导致性能下降等问题。如何避免膜电极的机械损伤，提升膜电极的性能和使用寿命成为现在亟待解决的问题。且该膜电极结构为了保证产品的性能，其对于加工、装配过程中的加工精度要求非常高，导致产品的合格率较低。

发明内容

本发明所解决的技术问题为：如何避免膜电极的机械损伤，提升膜电极的性能和使用寿命。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种膜电极结构，包括：

催化剂涂敷膜；

扩散层，所述扩散层分别设置在所述催化剂涂敷膜的两侧；

外边框，所述外边框设置在所述催化剂涂敷膜两侧，所述外边框的内径与所述扩散层的外径匹配；

内边框，所述内边框位于所述催化剂涂敷膜和所述扩散层、外边框之间的位置，且所述内边框覆盖所述扩散层、外边框接触的区域。

作为本发明进一步的方案：所述内边框的材质为聚酰亚胺、聚全氟乙丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯中的一种。

作为本发明进一步的方案：所述内边框的厚度为20-40um。

作为本发明进一步的方案：所述内边框的内轮廓、外轮廓呈圆形或者方形。

作为本发明进一步的方案：所述内边框的宽度为3～5mm。

作为本发明进一步的方案：所述催化剂涂敷膜的外延围绕所述催化剂涂敷膜设置有填充物。

一种膜电极结构的制造方法，包括如下步骤：

按照顺序叠合催化剂涂敷膜、内边框、扩散层和外边框，所述催化剂涂敷膜的两侧为内边框，内边框的两侧为扩散层、外边框；

对叠合好的膜电极进行热压，将叠合好的膜电极置于模具上,并将所述模具置于油压机中于120-150℃下先预热1-3min，然后于700LB下热压30S,然后冷却至室温后取出压合后的膜电极。

根据本发明的一种膜电极结构及其制造方法，至少具有如下技术效果之一：

在催化剂涂敷膜的两侧引入内边框作为保护层，内边框覆盖扩散层、外边框交界的区域。首先能够阻隔扩散层、外边框的毛刺对于催化剂涂敷膜的影响，避免催化剂涂敷膜受到机械损伤。其次，加入厚度为20-40um的内边框使得扩散层与催化剂涂敷膜之间形成一定的缝隙，能够有效缓解扩散层与催化剂涂敷膜之间的封装压力的问题，同时，内边框处能够形成一个小台阶，有效消除扩散层、外边框的交界位置存在的边缘应力，保证膜电极的性能。同时，基于内边框的加入能够对催化剂涂敷膜形成保护，保证了膜电极的机械性能，使得对于膜电极组件的加工公差及装配误差的精度要求可以大大降低，由于宽度3～5mm的内边框的加入，可以将原有的加工及装配误差要求由0.1mm降低至0.5mm，大大提升膜电极的加工效率以及产品合格率。且本发明的兼容性良好，能够最低限度降低对于电堆其他组件的影响，可以在不对极板、密封做重大改变时进行优化。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现有的一种膜电极的结构示意图；

图2是本发明膜电极结构叠合状态的结构示意图；

图3是本发明膜电极结构压合状态的结构示意图。

图中：1、催化剂涂敷膜；2、扩散层；3、外边框；4、内边框。

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

膜电极(MEA)是燃料电池的核心组件，其制备工艺也始终是燃料电池领域的核心技术之一。膜电极由催化剂层(阴极和阳极)、质子交换膜和气体扩散层组成，膜电极的质量直接决定燃料电池的性能、寿命及成本。如图1所示的一种膜电极结构，其中间层为质子交换膜，质子交换膜的两侧为GDL(gas diffusion layer，即气体扩散层)、外边框，其采用叠合热压的方式进行加工处理。但是，该膜电极在生产过程中存在容易出现机械损伤或者质子交换膜穿孔导致性能下降等问题。如何避免膜电极的机械损伤，提升膜电极的性能和使用寿命成为现在亟待解决的问题。且该膜电极结构为了保证产品的性能，需要扩散层和边框以及质子交换膜的装配误差较小才能减小膜电极的机械损伤，其对于加工、装配过程中的加工精度要求非常高，这就导致产品的合格率较低。

申请人通过研究发现，导致膜电极出现机械损伤的因素主要包括：由于膜电极采用热压的加工方式进行处理，在加工过程中会在质子交换膜的两侧引入封装压力，该封装压力可能会影响质子交换膜的质量，尤其是扩散层、外边框的交界位置存在较高的边缘应力，会严重影响膜电极的性能。其次，由于膜电极的各个部件如扩散层、外边框多为切割成型，在此过程中使得扩散层、外边框的边缘位置存在毛刺。在膜电极加工过程中及成型后，这些毛刺的存在会对质子交换膜造成机械损伤，大大影响膜电极的机械性能。为解决上述问题，申请人在质子交换膜的两侧引入内边框作为保护层，内边框覆盖扩散层、外边框交界的区域。首先能够阻隔扩散层、外边框的毛刺对于质子交换膜的影响，避免质子交换膜受到机械损伤。其次，加入厚度为20-40um的内边框使得扩散层与质子交换膜之间形成一定的缝隙，能够有效缓解扩散层与质子交换膜之间的封装压力的问题，同时，内边框处能够形成一个小台阶，有效消除扩散层、外边框的交界位置存在的边缘应力，保证膜电极的性能。同时，基于内边框的加入能够对质子交换膜形成保护，保证了膜电极的机械性能，使得对于膜电极组件的加工公差及装配误差的精度要求可以大大降低，由于宽度3～5mm的内边框的加入，可以将原有的加工及装配误差要求由0.1mm降低至0.5mm，大大提升膜电极的加工效率以及产品合格率。

请参阅图2-3所示，本发明为一种膜电极结构，包括：催化剂涂敷膜1、扩散层2、外边框3和内边框4。所述扩散层2分别设置在所述催化剂涂敷膜1的两侧；所述外边框3设置在所述催化剂涂敷膜1两侧，所述外边框3的内径与所述扩散层2的外径匹配；所述内边框4位于所述催化剂涂敷膜1和所述扩散层2、外边框3之间的位置，且所述内边框4覆盖所述扩散层2、外边框3接触的区域。

请参阅图2-3，在本发明的其中一个实施例中，中间层的为催化剂涂敷膜1(CCM：catalyst coated membrane)；催化剂涂敷膜1包括质子交换膜以及质子交换膜两侧的催化剂层，质子交换膜为质子提供从阳极到阴极的传递通道。膜电极的催化剂层提供了三相物质传输界面和电化学反应场所，使得反应气体、质子、电子能够在电催化剂上发生反应。阴极催化剂层和阳极催化剂层紧贴质子交换膜的两侧。在所述催化剂涂敷膜1的两侧为扩散层2。膜电极中的气体扩散层通常直接与双极板上的流道接触，起到机械支撑、电子传导、反应气体扩散和排水的作用。

请参阅图2-3，在本发明的其中一个实施例中，催化剂层是膜电极的核心，目前实际应用中主要由含铂催化剂、催化剂载体和粘结剂组成。催化剂载体常以碳材料为主，为了进一步提高催化剂的寿命，通常采用石墨化的碳材料作为载体，较高的石墨化程度可以有效地减少启停工况和高电位运行时的载体氧化。气体扩散层通常是涂覆了一层微孔层，经过聚四氟乙烯疏水处理后的碳纸或碳布。因此，所述扩散层2可以为碳纸。另外，金属网、烧结金属、金属泡沫、硅材料、玻璃纤维以及其他一些特殊设计的气体扩散层也可以作为膜电极的气体扩散层。

请参阅图2-3，在本发明的其中一个实施例中，所述外边框3设置在所述催化剂涂敷膜1两侧，所述外边框3的内径与所述扩散层2的外径匹配；所述内边框4位于所述催化剂涂敷膜1和所述扩散层2、外边框3之间的位置，且所述内边框4覆盖所述扩散层2、外边框3接触的区域，即所述扩散层2、外边框3的交界位置在所述内边框4上的投影位于所述内边框4区域内。所述内边框4的厚度可以为20-40um。厚度低于20um时难以起到有效的防护效果，厚度40um时则会形成较大的缝隙，导致阻抗较大。所述内边框4的内轮廓、外轮廓的具体形状不加限制，可以根据实际的膜电极结构的形状来确定，如所述内边框4的内轮廓、外轮廓呈圆形或者方形或者其他异形结构。所述内边框4的外轮廓与内轮廓之间的部分形成覆盖所述扩散层2、外边框3接触的区域，所述内边框4的内轮廓围合形成孔洞区域。所述内边框4的宽度为3～5mm。所述扩散层2、外边框3的交界位置在所述内边框4上的投影位于所述内边框4的外径和内径之间。所述内边框4(及外边框3)的材质为聚酰亚胺、聚全氟乙丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯中的一种。

一种膜电极结构的制造方法，包括如下步骤：

如图2，按照顺序叠合催化剂涂敷膜1、内边框4、扩散层2和外边框3，所述催化剂涂敷膜1的两侧为内边框4，内边框4的两侧为扩散层2、外边框3；

对叠合好的膜电极进行热压，将叠合好的膜电极置于模具上,并将所述模具置于油压机中于120-150℃下先预热1-3min，然后于700LB下热压30S,然后冷却至室温后取出压合后的膜电极。压合后的膜电极如图3，扩散层2在压合过程中微微突出，贴近质子膜交换层，使得两者之间的距离缩小，进而减小传质阻力和阻抗，保证良好的传质能力和导电能力。

其中，在热压之前可以在所述催化剂涂敷膜1的外延0.5mm处围绕所述催化剂涂敷膜1设置有填充物，以起到保护边缘，避免产生边缘效应的效果。

本发明的工作原理：

申请人在催化剂涂敷膜1的两侧引入内边框4作为保护层，内边框4覆盖扩散层、外边框3交界的区域。首先能够阻隔扩散层、外边框3的毛刺对于催化剂涂敷膜1的影响，避免催化剂涂敷膜1受到机械损伤。其次，加入厚度为20-40um的内边框4使得扩散层与催化剂涂敷膜1之间形成一定的缝隙，能够有效缓解扩散层与催化剂涂敷膜1之间的封装压力的问题，同时，内边框4处能够形成一个小台阶，有效消除扩散层、外边框3的交界位置存在的边缘应力，保证膜电极的性能。同时，基于内边框4的加入能够对催化剂涂敷膜1形成保护，保证了膜电极的机械性能，使得对于膜电极组件的加工公差及装配误差的精度要求可以大大降低，由于宽度3～5mm的内边框4的加入，可以将原有的加工及装配误差要求由0.1mm降低至0.5mm，大大提升膜电极的加工效率以及产品合格率。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的权利要求涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种膜电极结构，其特征在于，包括：

催化剂涂敷膜(1)；

扩散层(2)，所述扩散层(2)分别设置在所述催化剂涂敷膜(1)的两侧；

外边框(3)，所述外边框(3)设置在所述催化剂涂敷膜(1)两侧，所述外边框(3)的内径与所述扩散层(2)的外径匹配；

内边框(4)，所述内边框(4)位于所述催化剂涂敷膜(1)和所述扩散层(2)、外边框(3)之间的位置，且所述内边框(4)覆盖所述扩散层(2)、外边框(3)接触的区域。

2.根据权利要求1所述的一种膜电极结构,其特征在于，所述内边框(4)的材质为聚酰亚胺、聚全氟乙丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种膜电极结构,其特征在于，所述内边框(4)的厚度为20-40um。

4.根据权利要求1所述的一种膜电极结构,其特征在于，所述内边框(4)的内轮廓、外轮廓呈圆形或者方形。

5.根据权利要求4所述的一种膜电极结构,其特征在于，所述内边框(4)的宽度为3～5mm。

6.根据权利要求1至5任一所述的一种膜电极结构,其特征在于，所述催化剂涂敷膜(1)的外延围绕所述催化剂涂敷膜(1)设置有填充物。

7.一种膜电极结构的制造方法,其特征在于，包括如下步骤：

按照顺序叠合催化剂涂敷膜(1)、内边框(4)、扩散层(2)和外边框(3)，所述催化剂涂敷膜(1)的两侧为内边框(4)，内边框(4)的两侧为扩散层(2)、外边框(3)，且所述内边框(4)覆盖所述扩散层(2)、外边框(3)接触的区域；

对叠合好的膜电极进行热压，将叠合好的膜电极置于模具上,并将所述模具置于油压机中于120-150℃下先预热1-3min，然后于700LB下热压30S,然后冷却至室温后取出压合后的膜电极。