CN214898515U - 一种膜电极的边框、膜电极、燃料电池及边框的加工设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于燃料电池技术领域，公开了一种膜电极的边框、膜电极、燃料电池及边框的加工设备。该膜电极的边框包括基膜，基膜设置有阶梯型孔，阶梯型孔包括第一孔和第二孔，第一孔的孔径小于第二孔的孔径，基膜为一体成型结构，第一孔用于容纳催化剂层，第二孔用于容纳气体扩散层。一个边框可同时容纳催化剂层和气体扩散层，从而制备膜电极只需两个边框，减少了边框的使用数量，结构更加简单，且两个边框只需热压一次，因此只会有一个结合面，减小了结合面的数量，能够减少膜电极漏气风险，且减少加工工序，降低成本。

Description

一种膜电极的边框、膜电极、燃料电池及边框的加工设备

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种膜电极的边框、膜电极、燃料电池及边框的加工设备。

背景技术

膜电极(MEA,Membrane Electrode Assembly)是质子交换膜燃料电池最为关键的组件，主要包括两张具有良好导电性能的气体扩散层，夹在中间的一层质子交换膜，以及在质子交换膜与气体扩散层之间的催化剂层。氢气/甲醇等与氧气/空气分别经过相对的两个气体扩散层均匀分散到催化剂层发生电化学反应，通过外电路将电化学反应中产生的电子引出，构成电路回路。质子交换膜能够传导质子，阻隔电子在电池内部直接构成回路，以及阻断氢气/甲醇等与氧气/空气直接接触。

质子交换膜对温湿度很敏感，容易随环境温湿度改变而变形。在质子交换膜相对的两面设置边框能提高膜强度，进而稳定膜电极尺寸，且可以避免质子交换膜与极板的直接接触造成机械损伤而影响整个燃料电池使用寿命。

现有的膜电极(MEA)的质子交换膜相对的两侧均包括第一边框和第二边框，第一边框和第二边框均设置有通孔，两侧的第一边框夹持质子交换膜，第二边框覆盖于第一边框外，第一边框的通孔容纳催化剂层以及气体扩散层的一部分，第二边框的通孔容纳气体扩散层的另一部分。然而，由于这种结构具有四层边框，需要先热压两个第一边框，然后分别将两个第二边框和热压后的两个第一边框热压，从而需要热压三次，且存在三层结合处，漏气风险大，且加工工序繁多。

实用新型内容

一方面，本实用新型的一个目的在于提供一种膜电极的边框，以解决由于现有的膜电极具有四层边框，需要进行两次热压，且存在三层结合处，漏气风险大，且加工工序繁多的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种膜电极的边框，包括：基膜，所述基膜设置有阶梯型孔，所述阶梯型孔包括第一孔和第二孔，所述第一孔的孔径小于所述第二孔的孔径，所述基膜为一体成型结构，所述第一孔用于容纳催化剂层，所述第二孔用于容纳气体扩散层。

可选地，所述第一孔与所述第二孔同心设置。

可选地，所述基膜具有相对设置的第一面和第二面，所述第一孔设置于所述第一面，所述第二孔设置于所述第二面；

所述边框还包括胶层，所述胶层固定设置于所述第一面。

可选地，所述第一孔的内周面与所述第二孔的内周面相距1mm-3mm。

另一方面，本实用新型的另一个目的在于提供一种膜电极，包括两个上述的膜电极的边框，两个边框贴合设置，且两个所述边框的所述第一孔均位于两个所述边框的所述第二孔之间。

可选地，所述膜电极还包括：质子交换膜、两个催化剂层和两个气体扩散层，质子交换膜由两个所述边框夹紧，两个所述催化剂层分别设置于所述质子交换膜的两侧，且两个所述催化剂层分别位于两个所述边框的所述第一孔内，一个所述气体扩散层至少部分设置于一个所述边框的所述第二孔，另一个所述气体扩散层至少部分设置于另一个所述边框的所述第二孔。

可选地，所述基膜具有相对设置的第一面和第二面，所述气体扩散层凸出所述第二面。

可选地，所述气体扩散层整体位于所述第二孔；或者，所述气体扩散层的一部分位于所述第二孔，且另一部分位于所述第一孔。

再一方面，本实用新型的再一个目的在于提供一种燃料电池，包括上述的膜电极。

又一方面，本实用新型的又一个目的在于提供一种边框的加工设备，用于加工上述的膜电极的边框，所述边框的加工设备包括热压设备和模切设备，所述热压设备用于在所述基膜热压所述第二孔，所述模切设备用于在所述基膜加工所述第一孔。

本实用新型的有益效果：本实用新型仅需要将两个该边框固定设置于质子交换膜相对的两侧，第一孔能容纳催化剂层，第二孔能容纳气体扩散层，一个边框可同时容纳催化剂层和气体扩散层，可替代现有的第一边框和第二边框，从而制备膜电极只需两个边框，减少了边框的使用数量，结构更加简单，且两个边框只需热压一次，因此只会有一个结合面，减小了结合面的数量，能够减少膜电极漏气风险，且减少加工工序，降低成本。

附图说明

图1是本实用新型具体实施例提供的膜电极的边框的结构示意图；

图2是本实用新型具体实施例提供的膜电极的结构示意图；

图3是现有的膜电极的结构示意图。

图中：

1、基膜；11、第一孔；12、第二孔；2、质子交换膜；3、催化剂层；4、气体扩散层；5、第一边框；6、第二边框。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图3所示，现有的膜电极的质子交换膜2相对的两侧均包括第一边框5和第二边框6，第一边框5和第二边框6均设置有通孔，两侧的第一边框5夹持质子交换膜2，第二边框6覆盖于第一边框5外，第一边框5的通孔容纳催化剂层3以及气体扩散层4的一部分，第二边框6的通孔容纳气体扩散层4的另一部分。然而，由于这种结构具有四层边框，需要先热压两个第一边框5，然后分别将两个第二边框6和热压后的两个第一边框5热压，从而需要热压三次，且存在三层结合处，漏气风险大，且加工工序繁多，本实用新型对此进行了改进。

实施例一

本实用新型的一个具体实施例提供一种膜电极的边框，该边框能够减少膜电极漏气风险，且减少加工工序，降低成本。如图1所示，该边框包括基膜1，基膜1设置有阶梯型孔，阶梯型孔包括第一孔11和第二孔12，第一孔11和第二孔12连通，第一孔11的孔径小于第二孔12的孔径，基膜1为一体成型结构，第一孔11用于容纳催化剂层3，第二孔12用于容纳气体扩散层4。该膜电极的边框仅需要将两个该边框固定设置于质子交换膜2相对的两侧，第一孔11能容纳催化剂层3，第二孔12能容纳气体扩散层4，一个边框可同时容纳催化剂层3和气体扩散层4，可替代现有的第一边框5和第二边框6，从而制备膜电极只需两个边框，减少了边框的使用数量，结构更加简单，且两个边框只需热压一次，因此只会有一个结合面，减小了结合面的数量，能够减少膜电极漏气风险，且减少加工工序，降低成本。可选地，基膜1由PEN、PET、PI或PTFE材料制成。

具体地，制备该膜电极的边框时，先对基膜1使用热压机进行热压，形成第二孔12，再在第二孔12的底壁进行模切，形成第一孔11，从而，可以在一个边框上依次加工出第一孔11和第二孔12。可选地，采用平板热压机。

可选地，第一孔11与第二孔12同心设置。可选地，第一孔11与第二孔12的形状相仿，尺寸不等，对第一孔11与第二孔12的形状不做限定，可以为圆形或矩形，以第一孔11与第二孔12为矩形为例，第二孔12沿长度方向居中设置于第一孔11，第二孔12沿宽度方向居中设置于第一孔11。

可选地，基膜1具有相对设置的第一面和第二面，第一孔11设置于第一面，第二孔12设置于第二面，还包括胶层，胶层固定设置于第一面。制备膜电极时，将其一基膜1上的胶层粘贴到质子交换膜2或另一基膜1上的胶层，再进行热压，能够进一步减少膜电极漏气的风险。具体地，胶层可以由基膜1本身附带，或者，胶层可在热压前涂刷于基膜1的第一面。

可选地，第一孔11的内周面与第二孔12的内周面相距1mm-3mm。在第一孔11和第二孔12之间形成宽为1mm-3mm的平面，该平面能够支撑气体扩散层4。

实施例二

如图2所示，本实用新型的另一个具体实施例提供一种膜电极，该膜电极包括两个上述的膜电极的边框，两个边框贴合设置，且两个边框的第一孔11均位于两个边框的第二孔12之间；膜电极还包括：质子交换膜2、两个催化剂层3和两个气体扩散层4，质子交换膜2由两个边框夹紧，两个催化剂层3分别设置于质子交换膜2的两侧，且两个催化剂层3分别位于两个边框的第一孔11内，一个气体扩散层4至少部分设置于一个边框的第二孔12，另一个气体扩散层4至少部分设置于另一个边框的第二孔12。该膜电极只需两个边框，只有一个结合面，需要一次热压，能减少膜电极的漏气风险，减少加工工序，降低成本。可选地，气体扩散层4凸出第二面，装配压合时，使得气体扩散层4和催化剂层3能够紧密贴合，减少两者之间的电阻。同时，气体扩散层4不能凸出第二面过多，若气体扩散层4凸出第二面过多，在膜电极与金属双极板装配时，应力会集中在金属双极板的密封胶上，最终可能导致燃料电池漏气。可选地，气体扩散层4凸出第二面20μm-80μm。

可选地，气体扩散层4抵接于第二孔12的底面。第二孔12的底面能支撑气体扩散层4，防止气体扩散层4全部支撑于催化剂层3而损坏催化剂层3，且能提高膜电极的整体强度。可选地，气体扩散层4都位于第二孔12，或者气体扩散层4部分位于第二孔12，另一部分位于第一孔11。可以将气体扩散层4全部设置于第二孔12，也可以将气体扩散层4部分设置于第二孔12，另一部分位于第一孔11，这两种情况，气体扩散层4都能支撑于第二孔12的底面，并且气体扩散层4能与第二孔12的内周面紧贴，防止气体扩散层4与第二孔12的内周面之间存在间隙，能够减少膜电极漏气的风险。

实施例三

本实用新型的再一个具体实施例提供一种燃料电池，包括上述的膜电极。该燃料电池中的膜电极采用的边框能同时容纳催化剂层3和气体扩散层4，可替代现有的第一边框5和第二边框6，从而制备膜电极只需两个边框，减少了边框的使用数量，结构更加简单，且两个边框只需热压一次，因此只会有一个结合面，减小了结合面的数量，能够减少膜电极漏气风险，从而减少燃料电池的漏气风险，且减少加工工序，降低成本。

实施例四

本实用新型的又一个具体实施例提供一种边框的加工设备，用于加工上述的膜电极的边框，包括热压设备和模切设备，热压设备用于在基膜1热压第二孔12，模切设备用于在基膜1加工第一孔11。

边框的加工工艺如下：

A)热压加工

1)提供宽幅为200mm-300mm的基膜1卷材；

2)开卷,开卷速度：100-500mm/min；

3)除静电；

4)喷码定位；

5)视觉检测，视觉检测精度：+/-1um；

6)通过热压机热压第二孔12，热压温度：150-300℃；热压温度精度：+/-3℃；热压压力：3-15kgf/cm²；热压压力精度：0.3kgf/cm²；热压时间：3-8s；热压平板数量为1-5块；

7)冷压降温，冷压温度：0-10℃；冷压温度精度：+/-0.5℃冷压压力：3-15kgf/cm²；冷压压力精度：0.3kgf/cm²；冷压时间：3-8s；冷压平板数量为1-5块；

8)除静电；

9)收卷。

B)模切加工

1)提供加工出第二孔12的基膜1；

2)开卷，开卷速度：100-500mm/min；

3)除静电；

4)视觉检测，视觉检测精度：+/-1um；

5)裁切，用模切机、划刀裁切机或激光裁切机在加工出第二孔12的基膜1上模切出第一孔11，裁切速度：10-400mm/min；裁切精度：+/-1um；

6)真空取废料；

7)除静电；

8)收卷。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种膜电极的边框，其特征在于，包括：基膜(1)，所述基膜(1)设置有阶梯型孔，所述阶梯型孔包括第一孔(11)和第二孔(12)，所述第一孔(11)的孔径小于所述第二孔(12)的孔径，所述基膜(1)为一体成型结构，所述第一孔(11)用于容纳催化剂层(3)，所述第二孔(12)用于容纳气体扩散层(4)。

2.根据权利要求1所述的膜电极的边框，其特征在于，所述第一孔(11)与所述第二孔(12)同心设置。

3.根据权利要求1所述的膜电极的边框，其特征在于，所述基膜(1)具有相对设置的第一面和第二面，所述第一孔(11)设置于所述第一面，所述第二孔(12)设置于所述第二面；

所述边框还包括胶层，所述胶层固定设置于所述第一面。

4.根据权利要求3所述的膜电极的边框，其特征在于，所述第一孔(11)的内周面与所述第二孔(12)的内周面相距1mm-3mm。

5.一种膜电极，其特征在于，包括两个如权利要求1-4任一项所述的膜电极的边框，两个边框贴合设置，且两个所述边框的所述第一孔(11)均位于两个所述边框的所述第二孔(12)之间。

6.根据权利要求5所述的膜电极，其特征在于，所述膜电极还包括：质子交换膜(2)、两个催化剂层(3)和两个气体扩散层(4)，质子交换膜(2)由两个所述边框夹紧，两个所述催化剂层(3)分别设置于所述质子交换膜(2)的两侧，且两个所述催化剂层(3)分别位于两个所述边框的所述第一孔(11)内，一个所述气体扩散层(4)至少部分设置于一个所述边框的所述第二孔(12)，另一个所述气体扩散层(4)至少部分设置于另一个所述边框的所述第二孔(12)。

7.根据权利要求6所述的膜电极，其特征在于，所述基膜(1)具有相对设置的第一面和第二面，所述气体扩散层(4)凸出所述第二面。

8.根据权利要求5所述的膜电极，其特征在于，所述气体扩散层(4)整体位于所述第二孔(12)；或者，所述气体扩散层(4)的一部分位于所述第二孔(12)，且另一部分位于所述第一孔(11)。

9.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求5-8任一项所述的膜电极。

10.一种边框的加工设备，其特征在于，用于加工如权利要求1-4任一项所述的膜电极的边框，所述边框的加工设备包括热压设备和模切设备，所述热压设备用于在所述基膜(1)热压所述第二孔(12)，所述模切设备用于在所述基膜(1)加工所述第一孔(11)。

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