CN212434674U - 一种膜电极、燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种膜电极，包括膜电极组件和边框膜，所述膜电极组件包括质子交换膜和复合于所述质子交换膜两面的催化剂层，两个所述边框膜对贴于所述质子交换膜或所述膜电极组件四周的边缘，至少一所述边框膜开设有用于嵌入所述质子交换膜或所述膜电极组件的可闭合的开口。本实用新型的结构是先将两个边框膜预对贴，其中至少一个边框膜开设有可闭合的开口，在嵌入质子交换膜或膜电极组件后再完整贴合并闭合开口，即可实现边框膜和质子交换膜或者膜电极组件的贴合。相对于现有技术，本实用新型无需在质子交换膜或膜电极组件的两面分别贴合两次边框膜，简化了膜电极的制备工艺，提高两边框膜的对位精度。

Description

一种膜电极、燃料电池

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种膜电极、燃料电池。

背景技术

膜电极(MEA)，又称膜、电极“三合一”或“五合一”组件，它是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件，是燃料电池内部能量转换的场所。膜电极承担燃料电池内的多相物质传输(包括液态水、氢气、氧气、质子和电子传输)，通过电化学反应，负责将燃料氢气的化学能转换成电能。膜电极的性能和成本影响甚至决定PEMFC的性能、寿命及成本。膜电极包括质子交换膜、设置在该质子交换膜表面的电极以及设置电极边缘的边框膜，电极包括催化层和气体扩散剂层。

目前，膜电极包括有以下几种：1)将膜电极组件(包括质子交换膜和催化层)以及边框膜均制成片料，然后按照相应位置关系一层层贴合在一起，制成片式膜电极；2)以质子交换膜作为卷料支撑带，先在质子交换膜的两面制作催化层，然后再两面分别复合边框膜。无论使用哪种方法，都需要在膜电极的两面分别贴合边框膜，也就是说，边框膜的贴合至少要贴合两次，且受贴合工艺影响，两边框膜易出现对位偏差的情况。

有鉴于此，确有必要提供有一种膜电极以解决上述技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种膜电极，可直接将两边框膜贴合在一起，简化了工艺操作，提高两边框膜的对位精度。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种膜电极，包括膜电极组件和边框膜，所述膜电极组件包括质子交换膜和复合于所述质子交换膜两面的催化剂层，两个所述边框膜对贴于所述质子交换膜或所述膜电极组件四周的边缘，至少一所述边框膜开设有用于嵌入所述质子交换膜或所述膜电极组件的可闭合的开口。

作为本实用新型所述的膜电极的一种改进，所述边框膜设置为“回”形，所述边框膜包括外框和内框，所述开口分别沿所述内框向所述外框延伸。进一步的，所述开口开设为四个，四个所述开口分别沿所述边框膜内框对角线的反方向延伸。所述开口的末端不超过密封圈。四个开口开设在边框膜内框对角线的反方向处，便于沿开口掀开部分边框膜，便于嵌入质子交换膜或膜电极组件。当然，开口还可开设在边框膜内框的反向延长线处，只要能嵌入膜电极组件或质子交换膜且后续易于闭口即可。

作为本实用新型所述的膜电极的一种改进，所述开口通过紫外照射、加热、加压或磁场处理中的任意一种方式闭合。在嵌入质子交换膜或膜电极组件后，开口可通过现有的任意一项技术闭合，只要不会影响到后续的密封即可。

作为本实用新型所述的膜电极的一种改进，所述边框膜朝向所述质子交换膜的一面还设置有用于粘结所述质子交换膜的粘结剂。所述粘结剂包括压敏胶，紫外固化胶或热熔胶。压敏胶，包括但不限于溶剂型压敏胶、乳液型压敏胶、热熔型压敏胶和射线固化型压敏胶，对位后，平压或辊压即可粘结，实现边框膜的完整贴合与开口的闭合。紫外固化胶，是必须通过紫外线光照射才能固化的一类胶粘剂，对位后，用紫外线照射紫外固化胶的部分即可实现边框膜的完整贴合及开口的闭合。热熔胶为常温下不具备粘合作用的热塑性弹性体或EVA胶膜，对位后，热压贴合，热熔胶即可熔融粘结，实现边框膜的贴合及开口的闭合。

作为本实用新型所述的膜电极的一种改进，所述催化剂层和所述边框膜为非重叠设置。膜电极组件与边框膜在贴设过程中，对位时，膜电极组件的催化剂层和边框膜的内边缘贴合且不重叠。因为重叠部分的催化剂层实际上无法起到催化作用，非重叠设置可节省部分催化剂。

作为本实用新型所述的膜电极的一种改进，所述催化剂层和所述边框膜为部分重叠设置。膜电极组件中的催化剂层与边框膜有小部分重叠，如此对位使得催化剂层的边缘部位分别被边框膜包覆起来，对较为脆弱的催化剂层起到保护作用。除此之外，该结构还能避免质子交换膜发生氧化。

作为本实用新型所述的膜电极的一种改进，所述质子交换膜包括全氟磺酸树脂质子交换膜、磺化聚苯基喹喔啉质子交换膜、磺化聚联苯酚质子交换膜、聚苯并咪唑质子交换膜、聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚砜质子交换膜、磺化聚醚砜质子交换膜或者沉积有全氟磺酸树脂的多孔PTFE复合质子交换膜。

作为本实用新型所述的膜电极的一种改进，所述催化剂层中含有贵金属催化剂或碳载贵金属催化剂，其中，贵金属含量为0.01～1mg/cm²，贵金属为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种，或者贵金属为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种与Co、Ni或Mn形成的二元以上合金，所述催化剂层的厚度为0.5～100μm。

作为本实用新型所述的膜电极的一种改进，所述边框膜包括PET膜、PE膜、PP膜、PI膜和PEN膜中的任意一种或者其中至少两种组成的复合膜，所述边框膜的厚度为10～500μm。

本实用新型的目的之二在于：提供一种燃料电池，包括本说明书前文所述的膜电极、框架构件以及一对分隔件，框架构件包围膜电极，框架构件和膜电极被夹在分隔件之间。

相比于现有技术，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型的结构是先将两个边框膜预对贴，其中至少一个边框膜开设有可闭合的开口，在嵌入质子交换膜或膜电极组件后再完整贴合并闭合开口，即可实现边框膜和质子交换膜或者膜电极组件的贴合。相对于现有技术，本实用新型无需在质子交换膜或膜电极组件的两面分别贴合两次边框膜，简化了膜电极的制备工艺，提高了两边框膜对位的精度。

附图说明

图1是实施例1中膜电极的结构示意图。

图2是实施例1中膜电极的剖视图。

图3是实施例2中膜电极的结构示意图。

图4是实施例2中膜电极的剖视图。

其中：1-质子交换膜，2-催化剂层，3-边框膜，4-开口，5-密封圈。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图，对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式并不限于此。

实施例1

如图1～2所示，本实施例提供一种膜电极，包括膜电极组件和边框膜3，膜电极组件包括质子交换膜1和复合于质子交换膜1两面的催化剂层2，两个边框膜3对贴于质子交换膜1或膜电极组件四周的边缘，至少一边框膜3开设有用于嵌入质子交换膜1或膜电极组件的可闭合的开口4。

优选的，边框膜3设置为“回”形，边框膜3包括外框和内框，开口4分别沿内框向外框延伸。

优选的，开口4开设为四个，四个开口4分别沿边框膜3内框对角线的反方向延伸，开口4的末端不超过密封圈5。四个开口4开设在边框膜3内框对角线的反方向处，便于沿开口4掀开部分边框膜3，便于嵌入质子交换膜1或膜电极组件。

优选的，开口4可通过紫外照射、加热、加压或磁场处理中的任意一种方式闭合。在嵌入质子交换膜1或膜电极组件后，开口4可通过现有的任意一项技术闭合，只要不会影响到后续的密封且后续易于闭口即可。

优选的，边框膜3朝向质子交换膜1的一面还设置有用于粘结质子交换膜1的粘结剂。粘结剂包括压敏胶，紫外固化胶或热熔胶。压敏胶，包括但不限于溶剂型压敏胶、乳液型压敏胶、热熔型压敏胶和射线固化型压敏胶，对位后，平压或辊压即可粘接，实现边框膜3的完整贴合与开口4的闭合。紫外固化胶，是必须通过紫外线光照射才能固化的一类胶粘剂，对位后，用紫外线照射紫外固化胶的部分即可实现边框膜3的完整贴合与开口4的闭合。热熔胶为常温下不具备粘合作用的热塑性弹性体或EVA胶膜，对位后，热压贴合，热熔胶即可熔融粘结，实现边框膜3的完整贴合与开口4的闭合。

优选的，催化剂层2和边框膜3为非重叠设置。膜电极组件与边框膜3在贴设过程中，对位时，膜电极组件的催化剂层2和边框膜3的内边缘贴合且不重叠。因为重叠部分的催化剂层2实际上无法起到催化作用，非重叠设置可节省部分催化剂。

优选的，质子交换膜1包括全氟磺酸树脂质子交换膜1、磺化聚苯基喹喔啉质子交换膜1、磺化聚联苯酚质子交换膜1、聚苯并咪唑质子交换膜1、聚醚醚酮质子交换膜1、磺化聚醚醚酮质子交换膜1、磺化聚砜质子交换膜1、磺化聚醚砜质子交换膜1或者沉积有全氟磺酸树脂的多孔PTFE复合质子交换膜1。

优选的，催化剂层2中含有贵金属催化剂或碳载贵金属催化剂，其中，贵金属载量为0.01～1mg/cm²，贵金属为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种，或者贵金属为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种与Co、Ni或Mn形成的二元以上合金，催化剂层2的厚度为0.5～100μm。

优选的，边框膜3包括PET膜、PE膜、PP膜、PI膜和PEN膜中的任意一种或者其中至少两种组成的复合膜，边框膜3的厚度为10～500μm。

该膜电极的制备方法为：先在质子交换膜1的两面涂覆催化剂层2，得到膜电极组件备用；沿其中一边框膜3的内框向外框划开以得到若干开口4，预对贴两个边框膜3后，掀开开口4，嵌入膜电极组件，再完整贴合，闭合开口4，得到膜电极。

或者，该膜电极的制备方法为：先在质子交换膜1的两面涂覆催化剂层2，得到膜电极组件备用；先预对贴两个边框膜3，再沿其中一边框膜3的内框向外框划开以得到若干开口4，掀开开口4，嵌入膜电极组件，再完整贴合，闭合开口4，得到膜电极。

或者，该膜电极的制备方法为：质子交换膜1的一面先涂覆一层催化剂层2，备用；沿其中一边框膜3的内框向外框划开以得到若干开口4，将两个边框膜3预对贴后，掀开开口4，将涂覆有一层催化剂层2的质子交换膜1嵌入到两个边框膜3里，完整贴合，闭合开口4，再在质子交换膜1另一面涂覆催化剂层2，得到膜电极。

或者，该膜电极的制备方法为：先预对贴两边框膜3，沿其中一边框膜3的内框向外框划开以得到若干开口4，质子交换膜1先不涂覆催化剂层2，直接嵌入到两预对贴边框膜3里，完整贴合，闭合开口4后再在质子交换膜1的两面涂覆催化剂层2，得到膜电极。

实施例2

如图3～4所示，本实施例提供一种膜电极，与实施例1不同的是，催化剂层2和边框膜3为部分重叠设置。膜电极组件中的催化剂层2与边框膜3有小部分重叠，如此对位使得催化剂层2的边缘部位分别被边框膜3包覆起来，对较为脆弱的催化剂层2起到保护作用。除此之外，该结构还能避免质子交换膜1发生氧化。

优选的，开口4开设在边框膜3内框的反向延长线处。

实施例3

本实施例提供一种燃料电池，包括实施例1或实施例2的膜电极、框架构件以及一对分隔件，框架构件包围膜电极，框架构件和膜电极被夹在分隔件之间。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本实用新型的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (10)

1.一种膜电极，其特征在于，包括膜电极组件和边框膜，所述膜电极组件包括质子交换膜和复合于所述质子交换膜两面的催化剂层，两个所述边框膜对贴于所述质子交换膜或所述膜电极组件四周的边缘，至少一所述边框膜开设有用于嵌入所述质子交换膜或所述膜电极组件的可闭合的开口。

2.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述边框膜设置为“回”形，所述边框膜包括外框和内框，所述开口分别沿所述内框向所述外框延伸。

3.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述开口通过紫外照射、加热、加压或磁场处理中的任意一种方式闭合。

4.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述边框膜朝向所述质子交换膜的一面还设置有用于粘结所述质子交换膜的粘结剂。

5.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述催化剂层和所述边框膜为非重叠设置。

6.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述催化剂层和所述边框膜为部分重叠设置。

7.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述质子交换膜包括全氟磺酸树脂质子交换膜、磺化聚苯基喹喔啉质子交换膜、磺化聚联苯酚质子交换膜、聚苯并咪唑质子交换膜、聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚砜质子交换膜、磺化聚醚砜质子交换膜或者沉积有全氟磺酸树脂的多孔PTFE复合质子交换膜。

8.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述催化剂层的厚度为0.5~100μm。

9.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述边框膜包括PET膜、PE膜、PP膜、PI膜和PEN膜中的任意一种或者其中至少两种组成的复合膜，所述边框膜的厚度为10~500μm。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1~9任一项所述的膜电极。

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