CN211980786U - 膜电极组件和具有它的燃料单电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种膜电极组件和具有它的燃料单电池，膜电极组件包括：质子交换膜；阳极催化剂层和阴极催化剂层分别设于质子交换膜的两侧；阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，阳极气体扩散层和阴极气体扩散层分别设于质子交换膜的两侧；第一密封边框，第一密封边框的设于质子交换膜；第二密封边框，第二密封边框设于第一密封边框的背离质子交换膜的一侧，且第二密封边框的内边缘位于第一密封边框的内边缘的外侧，气体扩散层与第一密封边框配合连接。根据本实用新型的膜电极组件，可以减小气体扩散层边缘处与内部的高度差，增加流道与气体扩散层的接触面积，第二密封边框增加了密封边框的厚度，保证膜电极组件的结构强度。

Description

膜电极组件和具有它的燃料单电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种膜电极组件和具有它的燃料单电池。

背景技术

燃料电池是将燃料与空气或氧气反应生成的化学能直接转化成直流电的一种电化学能量转换器，不经过卡诺循环，具有能量转化效率高、零排放、无噪声、使用寿命长等优点，因此可被广泛应用在交通、航天、便携式电源及备用电源等领域。

燃料电池的核心组件是膜电极，在膜电极的制备过程中，首先质子交换膜通过卷对卷工艺或转印工艺喷涂上阳极催化剂和阴极催化剂，形成催化剂涂层膜，然后将催化剂涂层膜放到中间与两层塑料边框热压或贴合(不一定需要加热)在一起，再通过点胶将气体扩散层粘在边框上，最后做成膜电极。在电堆组装时，膜电极与双极板叠装在一起，气体扩散层压在边框上的位置其厚度高于活化反应区，由此导致气体扩散层与边框重叠区域受力不均匀，导致在设计的装堆压力下，膜电极活化反应区域碳纸与双极板流道区域接触不充分，存在改进的空间。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种膜电极组件，所述膜电极组件可以增加气体扩散层与双极板上流道的接触面积，且膜电极组件的结构强度高。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种膜电极组件，包括：质子交换膜；阳极催化剂层和阴极催化剂层，所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层分别设于所述质子交换膜的两侧；气体扩散层，所述气体扩散层包括阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层分别设于所述质子交换膜的两侧；密封边框，所述密封边框包括：第一密封边框，所述第一密封边框设于所述质子交换膜；第二密封边框，所述第二密封边框设于所述第一密封边框的背离所述质子交换膜的一侧，且所述第二密封边框的内边缘位于所述第一密封边框的内边缘的外侧，其中，所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层分别与所述第一密封边框配合连接。

根据本实用新型的一些实施例，所述第二密封边框的厚度大于所述第一密封边框的厚度。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一密封边框的厚度为H1，所述质子交换膜的厚度为H2，其中，5H2≥H1≥H2。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一密封边框的一部分与所述气体扩散层的一部分重叠，所述重叠部分的长度尺寸范围为1-3mm。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一密封边框包括：第一安装区，所述第一安装区与所述第二密封边框形状对应，且所述第二密封边框适于与所述第一安装区粘结配合；位于第一安装区内的第二安装区，所述气体扩散层与所述第二安装区粘结配合。

根据本实用新型的一些实施例，所述第二密封边框的内边缘与所述气体扩散层的边缘抵接配合。

根据本实用新型的一些实施例，在垂直于所述质子交换膜所在平面的方向上，所述气体扩散层的上表面高于所述第二密封边框的上表面。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一密封边框的一部分覆盖所述阳极催化剂层或所述阴极催化剂层，且所述第二密封边框在所述质子交换膜上的投影与所述阳极催化剂层或所述阴极催化剂层在所述质子交换膜上的投影的一部分重合。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一密封边框包括位于所述质子交换膜两侧的第一密封部和第二密封部，所述阳极气体扩散层与所述第一密封部配合连接，所述阴极气体扩散层与所述第二密封部配合连接；或，所述第一密封边框包括两个，一个所述第一密封边框设于所述阳极气体扩散层与所述质子交换膜之间，另一个所述第一密封边框设于所述阴极气体扩散层与所述质子交换膜之间。

相对于现有技术，本实用新型所述的膜电极组件具有以下优势：

根据本实用新型的膜电极组件，通过设置第一密封边框和第二密封边框，气体扩散层与第一密封边框配合，可以减小气体扩散层边缘处与内部的高度差，从而在膜电极组件与双极板配合，可以增加流道与气体扩散层的接触面积，解决现有技术中膜电极活化反应区域碳纸与双极板流道区域接触不充分的问题；通过设置第二密封边框，增加了密封边框的厚度，使得密封边框具有一定的强度，进而保证膜电极组件的结构强度。

本实用新型的另一个目的在于提出一种燃料单电池，包括根据本实用新型实施例的膜电极组件。

相对于现有技术，本实用新型所述的燃料单电池具有的优势与膜电极组件具有的优势相同，这里不再赘述。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例膜电极组件的结构示意图；

图2是根据本实用新型实施例膜电极组件的截面图；

图3是根据本实用新型实施例的双极板的结构示意图。

附图标记说明：

100膜电极组件；

12密封边框；13膜电极反应区；14氢气进气歧管口；15冷却液进液歧管口；16空气出气歧管口；17膜电极定位孔；18氢气出气歧管口；19冷却液出液歧管口；20空气进气歧管口；

21第一密封边框；2101第一密封部，2102第二密封部，211第一安装区；212第二安装区；22第二密封边框；23阳极催化剂层；24质子交换膜；25阴极催化剂层；26阴极气体扩散层；27阳极气体扩散层；

30双极板；31双极板活化区；32胶线溢胶槽；33双极板分配区；34双极板定位孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考图1-图3并结合实施例来详细说明本实用新型。

根据本实用新型实施例的膜电极组件100包括：质子交换膜24、阳极催化剂层和阴极催化剂层、密封边框12和气体扩散层。阳极催化剂层23和阴极催化剂层25分别设置在质子交换膜24的两侧，气体扩散层包括阳极气体扩散层27和阴极气体扩散层26，阳极气体扩散层27和阴极气体扩散层26分别设于所述质子交换膜24的两侧；密封边框12设于质子交换膜24，气体扩散层位于催化剂层的背离质子交换膜24的一侧，质子交换膜24可以传导质子、分隔燃料和氧化剂，催化剂层可以催化电化学反应，气体扩散层可以支撑阳极催化剂层和阴极催化剂层、收集电流、传导气体和排出反应产物水。

申请人在实践中发现，采用较薄的密封边框，由于塑料的特性较软，密封边框的强度较低，因而在进行密封设计时,若膜电极阴极和阳极两侧压力不均匀时，密封边框容易受压力不均匀的影响，使其边框侵入压力较小的一侧流道中，造成供气不足，影响膜电极组件的性能；而使用较厚的密封边框进行设计时，胶线容易压缩过量，造成气体扩散层压缩过量，影响气体扩散，进而影响膜电极组件的性能。

为此，根据本实用新型实施例的密封边框12包括：第一密封边框21和第二密封边框22，第一密封边框21设置在质子交换膜24上，以对设有阳极催化剂层23和阴极催化剂层25的质子交换膜24进行密封，第二密封边框22设于第一密封边框21的背离质子交换膜24的一侧，第二密封边框22的内边缘位于第一密封边框21的内边缘的外侧，气体扩散层可以与位于第二密封边框22内边缘内侧部分的第一密封边框21配合连接，实现气体扩散层的固定。

根据本实用新型的膜电极组件100，通过设置第一密封边框21和第二密封边框22，气体扩散层与第一密封边框21配合，可以减小气体扩散层边缘处与其内部的高度差，从而在膜电极组件100与双极板30配合时，可以增加双极板30上的流道与气体扩散层的接触面积，解决现有技术中膜电极活化反应区域碳纸与双极板流道区域接触不充分的问题；通过设置第二密封边框22，增加了密封边框12的厚度，使得密封边框12具有一定的强度，进而保证膜电极组件100的结构强度。

根据本实用新型的一个实施例，第二密封边框22的厚度大于第一密封边框21的厚度，由此保证仅较薄的第一密封边框21与气体扩散层接触，气体扩散层搭接部分较为平缓，从而可以减小气体扩散层边缘处与其内部的高度差，从而可以较好的解决在设计的装堆压力下气体扩散层边缘与内部受力不均匀的问题，避免了气体扩散层与双极板30上流道接触不充分。

根据本实用新型的一个实施例，第一密封边框21的厚度为H1，其中，若第一密封边框21的厚度过小，则难以对质子交换膜24和催化剂层进行密封，若第一密封边框21的厚度过大，则容易导致气体扩散层的边缘与内部的高度差过大，气体扩散层与双极板30上流道接触不充分，因而将第一密封边框21的厚度H1限定在质子交换膜24的厚度的1-5倍之间，即质子交换膜24的厚度为H2，5H2≥H1≥H2，由此保证具有较好的密封性和接触的充分性。

此外，第一密封边框21的厚度H1大于质子交换膜24上喷涂或转印上阳极催化剂或阴极催化剂后的厚度，以保证第一密封边框21可以对催化剂涂层膜进行较好的密封，防止氢气和氧气/空气互窜直接反应进而可能引起爆炸等。

根据本实用新型的一个实施例，第一密封边框21的一部分与气体扩散层的一部分重叠，重叠部分的长度尺寸范围为1-3mm，如图2所示，第一密封边框21伸出第二密封边框22内边缘的部分的长度在1-3mm，该长度可以为1mm，2mm，3mm等，若该部分长度过小，容易导致第一密封边框21无法支撑固定气体扩散层，若该部分长度过大，影响气体扩散层内部空间，即导致膜电极反应区13的尺寸减小，进而影响了膜电极组件100的使用性能，通过将该部分长度限定在1-3mm范围之间，可以保证气体扩散层可以稳定地支撑在第一密封边框21上，实现气体扩散层的安装，同时满足膜电极组件100的性能要求。

根据本实用新型的一个具体的实施例，第一密封边框21包括：第一安装区211和第二安装区212，第一安装区211与第二密封边框22形状对应，第二密封边框22位于第一安装区211的背离质子交换膜24的一侧，且第二密封边框22适于与第一安装区211粘结配合，即第二密封边框22与第一密封边框21的外侧重叠，通过设置第二密封边框22，可以增加第一安装区211的厚度，增加密封边框12的结构强度；第二安装区212位于第一安装区211内，气体扩散层与第二安装区212粘结配合，由此实现气体扩散层的安装固定，其中，第二安装区212的宽度在1-3mm之间，优选地，第二安装区212的宽度为2mm，以保证气体扩散层可以稳定地支撑在第二安装区212，实现气体扩散层的安装，同时满足膜电极组件100的性能要求。

根据本实用新型的一个实施例，第二密封边框22的内边缘与气体扩散层的边缘抵接配合，在膜电极组件100与双极板30配合时，第二密封边框22与双极板30配合连接，双极板30上的流道可以与通过气体扩散层扩散至阳极催化剂层23和阴极催化剂层25。

根据本实用新型的一个实施例，第二密封边框22与双极板30通过胶线粘结，由于胶线具有一定的厚度，因而在垂直于质子交换膜24所在平面的方向上，气体扩散层的上表面高于第二密封边框22的上表面，由此在第二密封边框22与双极板30粘结配合后，双极板30上的流道可以与气体扩散层充分接触，进而提高整体结构的稳定性和可靠性。

可以理解的是，在设计的装堆压力下，气体扩散层受到装堆压力进一步压缩在质子交换膜24上，此时，气体扩散层的上表面仍然要高于第二密封边框22的上表面，以保证第二密封边框22与双极板30可以牢固固定，双极板30上的流道同时可以与气体扩散层充分接触。

根据本实用新型的一个实施例，第一密封边框21的一部分覆盖阳极催化剂层23，第二密封边框22在质子交换膜24上的投影与阳极催化剂层23在质子交换膜24上的投影的一部分重合，也就是说，第二密封边框22和第一密封边框21可以同时压设在阳极催化剂层23上，将阳极催化剂层23的边缘密封，由此可以提高对阳极催化剂层23密封的可靠性，防止氢气和氧气/空气互窜直接反应引起爆炸等。当然，第一密封边框21的一部分也可以覆盖在阴极催化剂层25上，或者第一密封边框21仅压设于质子交换膜24上，而不覆盖在催化剂层上。

根据本实用新型的一个实施例，第一密封边框21包括两个，第二密封边框22包括对应的两个，其中，阳极催化剂层23位于质子交换膜24的前侧，一个第一密封边框21设于阳极催化剂层23的前侧，以将阳极催化剂层23的边缘密封，阳极气体扩散层27与阳极催化剂层23对应，阳极气体扩散层27搭设在第一密封边框21的前侧，即一个第一密封边框21的一部分设于阳极气体扩散层27与阳极催化剂层23之间，一个第二密封边框22位于该第一密封边框21的前侧，阳极气体扩散层27的外边缘与第二密封边框22的内边缘抵接。

其中，第一密封边框21的一部分伸入第二密封边框22的内边缘的内侧，以便于阳极气体扩散层27的搭接固定，第一密封边框21的厚度(前后方向上的尺寸)小于第二密封边框22的厚度，由此使得阳极气体扩散层27搭接部分较为平缓，减小气体扩散层边缘处与其内部的高度差，便于阳极气体扩散层27与双极板30上流道充分接触。

进一步地，阴极催化剂层25位于质子交换膜24后侧，另一个第一密封边框21设于阴极催化剂层25的后侧，以将阴极催化剂层25的边缘密封，阴极气体扩散层26与阴极催化剂层25对应，阴极气体扩散层26搭设在该第一密封边框21的后侧，即另一个第一密封边框21的一部分设于阴极气体扩散层26与阴极催化剂层25之间。另一个第二密封边框22位于该第一密封边框21的前侧，阴极气体扩散层26的外边缘与第二密封边框22的内边缘抵接，由此膜电极组件100形成七合一膜电极，膜电极组件100的性能稳定，结构强度高。

其中，第一密封边框21的一部分伸入第二密封边框22的内边缘的内侧，以便于阴极气体扩散层26的搭接固定，第一密封边框21的厚度(前后方向上的尺寸)小于第二密封边框22的厚度，由此使得阴极气体扩散层26搭接部分较为平缓，减小气体扩散层边缘处与其内部的高度差，便于阴极气体扩散层26与双极板30上流道充分接触。

在一些示例中，第一密封边框21包括第一密封部2101和第二密封部2102，第一密封部2101和第二密封部2102分别位于质子交换膜24的前后两侧，阳极气体扩散层27与第一密封部2101配合连接，阴极气体扩散层26与第二密封部2102配合连接，即质子交换膜24前后两侧的第一密封边框21可以形成为一体结构，第一密封边框21的外边缘可以包裹质子交换膜24的外边缘，由此可以提高第一密封边框21对质子交换膜24的密封性，进而提高整体结构的稳定性和可靠性。

本实用新型的实施例的燃料单电池，包括根据本实用新型实施例的膜电极组件，通过采用上述膜电极组件，既增加双极板30上的流道与气体扩散层的接触面积，提高了装配的可靠性，同时可以增加密封边框12的结构强度，进而保证了膜电极组件100以及燃料单电池的结构强度。

双极板30可以为石墨双极板，也可以为金属双极板，双极板30上具有双极板定位孔34，膜电极组件100上具有膜电极定位孔17，双极板定位孔34与膜电极定位孔17对应，以将双极板30与膜电极组件100固定连接，第二密封边框22与双极板30通过胶线粘结固定，双极板30上具有胶线溢胶槽32。在双极板30与膜电极组件100装配到位后，在气体扩散层处形成膜电极反应区13，双极板30上具有位置对应的双极板活化区31。

膜电极反应区13外侧具有氢气进气歧管口14、冷却液进液歧管口15、空气出气歧管口16、氢气出气歧管口18、冷却液出液歧管口19和空气进气歧管口20，且双极板30上还具有与膜电极组件100对应的空气进气歧管口、冷却液进液歧管口、氢气出气歧管口、空气出气歧管口、冷却液出液歧管口、氢气进气歧管口，双极板31上还具有双极板分配区33，由此实现氢气、氧气的供给，同时通入冷却液便于对燃料电池进行降温。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种膜电极组件(100)，其特征在于，包括：

质子交换膜(24)；

阳极催化剂层(23)和阴极催化剂层(25)，所述阳极催化剂层(23)和所述阴极催化剂层(25)分别设于所述质子交换膜(24)的两侧；

气体扩散层，所述气体扩散层包括阳极气体扩散层(27)和阴极气体扩散层(26)，所述阳极气体扩散层(27)和所述阴极气体扩散层(26)分别设于所述质子交换膜(24)的两侧；

密封边框(12)，所述密封边框(12)包括：

第一密封边框(21)，所述第一密封边框(21)设于所述质子交换膜(24)；

第二密封边框(22)，所述第二密封边框(22)设于所述第一密封边框(21)的背离所述质子交换膜(24)的一侧，且所述第二密封边框(22)的内边缘位于所述第一密封边框(21)的内边缘的外侧，其中，所述阳极气体扩散层(27)和所述阴极气体扩散层(26)分别与所述第一密封边框(21)配合连接。

2.根据权利要求1所述的膜电极组件(100)，其特征在于，所述第二密封边框(22)的厚度大于所述第一密封边框(21)的厚度。

3.根据权利要求2所述的膜电极组件(100)，其特征在于，所述第一密封边框(21)的厚度为H1，所述质子交换膜(24)的厚度为H2，其中，5H2≥H1≥H2。

4.根据权利要求1所述的膜电极组件(100)，其特征在于，所述第一密封边框(21)的一部分与所述气体扩散层的一部分重叠，所述重叠部分的长度尺寸范围为1-3mm。

5.根据权利要求1所述的膜电极组件(100)，其特征在于，所述第一密封边框(21)包括：

第一安装区，所述第一安装区与所述第二密封边框(22)形状对应，且所述第二密封边框(22)适于与所述第一安装区粘结配合；

位于第一安装区内的第二安装区，所述气体扩散层与所述第二安装区粘结配合。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的膜电极组件(100)，其特征在于，所述第二密封边框(22)的内边缘与所述气体扩散层的边缘抵接配合。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的膜电极组件(100)，其特征在于，在垂直于所述质子交换膜(24)所在平面的方向上，所述气体扩散层的上表面高于所述第二密封边框(22)的上表面。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的膜电极组件(100)，其特征在于，所述第一密封边框(21)的一部分覆盖所述阳极催化剂层或所述阴极催化剂层，且所述第二密封边框(22)在所述质子交换膜(24)上的投影与所述阳极催化剂层或所述阴极催化剂层在所述质子交换膜(24)上的投影的一部分重合。

9.根据权利要求1所述的膜电极组件(100)，其特征在于，所述第一密封边框(21)包括位于所述质子交换膜(24)两侧的第一密封部和第二密封部，所述阳极气体扩散层(27)与所述第一密封部配合连接，所述阴极气体扩散层(26)与所述第二密封部配合连接；或，

所述第一密封边框(21)包括两个，一个所述第一密封边框(21)设于所述阳极气体扩散层(27)与所述质子交换膜(24)之间，另一个所述第一密封边框(21)设于所述阴极气体扩散层(26)与所述质子交换膜(24)之间。

10.一种燃料单电池，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项所述的膜电极组件(100)。

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