CN211980785U - 一种优化的质子交换膜电极装置 - Google Patents

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Abstract

一种质子交换膜燃料电池膜电极装置(MEA)，质子交换膜(8)外边缘被聚酯边框(7)夹持粘接密封，质子交换膜(8)两侧分别涂层阴极催化剂和阳极催化剂，在阴极侧，阴极进口(1)区域涂有阴极催化剂，而在阴极出口(4)区域不涂阴极催化剂；在阳极侧，阳极进口(6)区域和阳极出口(3)区域均不涂阳极催化剂；在催化剂涂层(11)外边界与聚酯边框内边界(10)之间间距2‑5mm。通过MEA阴阳极催化层涂布设计以及催化层不接触聚酯边框的设计，有效避免MEA空气进口段干燥和空气出口段水淹现象，避免因电池反应发热和产水对聚酯边框与质子交换膜之间的粘接密封界面失效，提高电池性能、可靠性和寿命。

Description

一种优化的质子交换膜电极装置
技术领域
本实用新型涉及创新设备装置的结构改进技术，尤其是一种优化的质子交换膜电极装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的逆装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+ 通过，而H2失去的电子则从导线通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。
质子交换膜燃料电池膜电极装置主要材料分为质子交换膜、聚酯边框、气体扩散层、催化剂等，膜电极分上下两面，一面为阴极，一面为阳极，气体扩散层和催化剂分别分布在质子交换膜上面和下面，聚酯边框将膜电极膜夹住粘接密封。阴极和阳极气体扩散层和催化剂一般部分相同部分不同。
质子交换膜电极装置(MEA)性能和工作状态与膜电极寿命相互影响，在膜电极装置在发电过程中，空气进口区域相对于电池内部区域低温、干燥，空气出口区域相对于电池内部湿度大，严重时有水淹电极现象，干燥和水淹对电池性能和膜电极可靠性、寿命有影响；膜电极装置发电过程中，催化层将产热和产水，产热将使材料温度升高导致材料膨胀，产水将使质子交换膜发生溶胀，进一步的，在质子交换膜与聚酯边框粘接部位将会因热和水导致聚酯边框老化加速和聚酯边框频繁胀缩引起聚酯边框与质子交换膜粘接失效。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种优化的质子交换膜电极装置，解决现有技术问题。
本实用新型的目的将通过以下技术措施来实现：质子交换膜外边缘被聚酯边框夹持粘接密封，质子交换膜两侧分别涂层阴极催化剂和阳极催化剂，在阴极侧，阴极进口区域涂有阴极催化剂，而在阴极出口区域不涂阴极催化剂；在阳极侧，阳极进口区域和阳极出口区域均不涂阳极催化剂；在催化剂涂层外边界与聚酯边框内边界之间间距2-5mm。
尤其是，质子交换膜中心部位为电池反应区，阴、阳极侧涂布催化剂涂层，在催化剂涂层的外边界与聚酯边框内边界之间区域为质子交换膜，不涂催化剂。
本实用新型的优点和效果，通过合理布置催化剂涂层分布，在阴极侧空气进口区域涂布催化剂而在对应的阳极侧阳极出口区域不涂催化剂，在阴极进口区域将发生电极反应而在阳极出口区域不发生电极反应，电池空气进口区域将产热产水，并且阳极气体所带水分均有利于空气进口段升温加湿，在阴极空气出口区域不涂催化剂，而且在阳极侧阳极进口区域也不涂催化剂，在阴极出口区域和阳极进口区域均不发生电池反应，在该区域将不会产热和产水，有利于电池水分排出和出口温度下降，缓解电极水淹现象；在聚酯边框与催化层之间设置间距，该区域将不产热和产水，避免温度提高造成聚酯边框热胀和质子交换膜溶胀，保护了聚酯边框与质子交换膜之间的粘接性。
第一，由于空气进口段为电池低温、干燥部位，通过改进，阳极在此部位不再涂装催化剂，也因此将不会发电，但在此部位相应阴极涂装催化剂发电，将会产生水和热量，一方面，产生水分使膜结构保持润湿，进而可增湿，另一方面，产生热量将会使电池空气进口段升温，提高电池活性，显著加大电池阴极面积，有利于阴极电流密度以及电池整体温度分布均匀；
第二，由于空气出口段为电池高温、高湿部位，甚至有大量的液态水在空气出口端排放，容易发生水淹甚至水堵现象，对电池运行不利。通过在 MEA阴阳极空气出口段设置一段留白，不涂装催化剂，则在单电池空气出口段未涂催化剂部位不发生电化学反应，不发热，也不产水，电池出口段温度得到控制，水淹和水堵得到缓解；
第三，通过在膜电极与边框之间不涂装催化剂而留白，使得该部位不发电、不发热也不产水，质子交换膜在此部位水胀和热胀得到缓解，质子交换膜的水胀和热胀主要是中心部位，这一留白区域成为缓冲区；聚酯边框与质子交换膜之间的夹持粘接更稳定和牢固，电池可靠性和寿命得到提高和延长。
第四，将质子交换膜封闭在聚酯边框内，使之边缘结构与空气、水和氢气不直接接触，可防止质子交换膜因湿度和温度变化造成胀缩，影响粘接强度和牢固度。可提升膜电极可靠性和寿命。
附图说明
图1上为本实用新型实施例1质子交换膜燃料电池膜电极阳极侧结构示意图。
图2为图1中A-A截面示意图。
附图标记包括：
1-阴极进口、2-冷却水进口、3-阳极出口、4-阴极出口、5-冷却水出口、6-阳极进口、7-聚酯边框、8-质子交换膜、9-气体扩散层、10-聚酯边框内边界、11-催化剂涂层、12-空气出口段、13-空气进口段。
具体实施方式
本实用新型原理在于，经过研究发现，膜电极装置在催化剂涂层11 表面才能发电，电解质膜结构，主要作用是传导离子和透水，电池发电过程中催化剂层产生热和水。在膜电极设计过程中利用这一性质设计不对称的阴阳极结构，合理分布阴阳极发电负荷以及利用因发电部位的热和水的定向分布，有利于发挥电池性能和可靠性、寿命；电池材料在电池发电过程中会产生热胀溶胀现象，特别是质子交换膜材料吸水会溶胀，膜电极装置中聚酯边框热胀系数比较大，在电池长期运行过程中，聚酯边框材料若与催化剂接触将会老化加速，聚酯边框与质子交换膜之间的粘接将会失效所以，需要设计布置催化剂涂层分布，并且相应改进工作结构，以克服现有技术缺陷。
本实用新型中，为缓解上述技术缺陷，改进设计质子交换膜电极装置MEA结构，该结构更适合CCM生产。
本实用新型包括：阴极进口1、冷却水进口2、阳极出口3、阴极出口4、冷却水出口5、阳极进口6、聚酯边框7、质子交换膜8、9-气体扩散层、 10-聚酯边框内边界、催化剂涂层11、空气出口段12和空气进口段13。
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例1：如附图1、2所示，质子交换膜8表面中部有催化剂涂层 11；质子交换膜8边缘被聚酯边框7夹持粘接密封；MEA两头边框开孔，分别是阴极进口1、冷却水进口2和阳极出口3，阴极出口4、冷却水出口5和阳极进口6；质子交换膜8左端有空气进口段13，质子交换膜8右端有空气出口段12，空气进口段13涂有催化剂，空气出口段12不涂催化剂；在阳极侧，质子交换膜8仅中部表面有催化剂涂层11，阳极空气出口段12和空气进口段13均不涂催化剂；在催化剂涂层11外边界与聚酯边框7内边界10之间间距为2-5mm，最佳为 2mm，间距内不涂催化剂。
前述中，质子交换膜填充在聚酯边框7内，聚酯边框7是采用聚酯材料膜模切成中部镂空的边框，将质子交换膜夹持在两片边框之中，用热熔胶粘接，聚酯边框和质子交换膜粘接面不透气。在聚酯边框上模切阴阳极进出口孔及定位孔等附加装置，不影响聚酯边框与质子交换膜之间的粘接密封。
前述中，质子交换膜两侧催化剂涂层11，分别是阴极催化剂和阳极催化剂。
本实用新型实施例中，单电池质子交换膜电极装置MEA空气进口段13，为电池低温较干燥部位，空气进口段13在阳极侧制作一段留白，不涂装催化剂，同时在阴极侧此部位涂装催化剂，即有催化剂涂层11；若双极板空气流场进口端具有分配区，则分配区也一样在阳极侧制作一段留白，不涂装催化剂，同时在阴极侧此部位涂装催化剂，即有催化剂涂层11。单电池质子交换膜电极装置MEA空气出口段12为电池高温高湿部位，空气出口段12阴、阳极侧均设计一段留白，即不涂装催化剂，即使双极板空气流场出口端具有分配区，那么，该空气出口段12阴、阳极侧分配区均不涂装催化剂。
本实用新型实施例中，质子交换膜8膜电极边缘采用聚酯边框7粘接封装。在聚酯边框7内侧为质子交换膜8膜电极，催化剂涂层11涂装在质子交换膜8膜电极两侧局部表面。聚酯边框7夹持质子交换膜8膜电极的边缘部位不涂装催化剂，而且，聚酯边框7夹持区域内侧边缘10与相邻接催化剂涂层11 涂装区域外侧边缘之间保留间距3-5mm间隙，最好是2mm；该间隙内暴露为质子交换膜8表面，在电池发电过程中此部位不发电；聚酯边框7夹持质子交换膜8 边缘，质子交换膜8内侧表面封闭在聚酯边框7内，质子交换膜8外侧边缘分别与阴极进口1、冷却水进口2、阳极出口3、阴极出口4、冷却水出口5、阳极进口6端间距至少5mm。阴极进口1、冷却水进口2、阳极出口3、阴极出口4、冷却水出口5、阳极进口6分别对应空气进出口、水进出口和氢气进出口。
本实用新型实施例中，质子交换膜8外缘与聚酯边框7外缘平齐，或者，聚酯边框7外缘长出质子交换膜8外缘，或者，质子交换膜8外缘包覆在聚酯边框7外缘内。
本实用新型实施例中，聚酯边框7开有物料进出口通道，包括，阴极进口1、冷却水进口2、阳极出口3、阴极出口4、冷却水出口5和阳极进口6；分别对应燃料电池空气进口、冷却水进口、氢气出口、空气出口、冷却水出口以及氢气进口。而且，质子交换膜8仅局限在聚酯边框7的这些相应物料进出口通道内侧。
本实用新型实施例中，气体扩散层9外缘覆盖并粘接在聚酯边框7 内侧边缘上，气体扩散层9外缘与聚酯边框7内侧边缘之间叠压间距2-5mm，最好是2mm。

Claims (2)

1.一种优化的质子交换膜电极装置,其特征在于，质子交换膜(8)外边缘被聚酯边框(7)夹持粘接密封，质子交换膜(8)两侧分别涂层阴极催化剂和阳极催化剂，在阴极侧，阴极进口(1)区域涂有阴极催化剂，而在阴极出口(4)区域不涂阴极催化剂；在阳极侧，阳极进口(6)区域和阳极出口(3)区域均不涂阳极催化剂；在催化剂涂层(11)外边界与聚酯边框内边界(10)之间间距2-5mm。
2.如权利要求1所述的一种优化的质子交换膜电极装置，其特征在于，质子交换膜(8)中心部位为电池反应区，阴、阳极侧涂布催化剂涂层(11)，在催化剂涂层(11)的外边界与聚酯边框内边界(10)之间区域为质子交换膜(8)，不涂催化剂。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113488687A (zh) * 2021-07-29 2021-10-08 上海神力科技有限公司 一种燃料电池的膜电极组件及其制备方法

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