CN219350270U - 一种燃料电池膜电极边框和膜电极组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池膜电极边框和膜电极组件，包含依次贴合的上密封边框、中边框、下密封边框三层结构，所述中边框的内缘相对于上密封边框、下密封边框的内缘形成一凹槽，使三合一涂布膜位于该凹槽内，且使得所述三合一涂布膜边缘与所述中边框内缘相切；所述中边框厚度与所述三合一涂布膜厚度相当，所述上密封边框、中边框、下密封边框，两侧均设置若干对应的分配孔。通过设置与三合一涂布膜厚度相当的中边框补偿半膜结构所带来的厚度偏差，可以提升膜电极边框厚度一致性以及双极板和膜电极密封的可靠性，降低反应气体向外泄漏的风险。

Description

一种燃料电池膜电极边框和膜电极组件

技术领域

本实用新型燃料电池膜电极技术领域，主要涉及一种燃料电池膜电极边框和膜电极组件。

背景技术

燃料电池堆通常是由数百片的膜电极与双极板堆叠而成，其中，膜电极作为燃料电池堆最为核心的发电单元，是决定整个燃料电池系统输出性能、寿命和成本的关键因素。通常，膜电极为七合一组件结构，主要由三合一涂布膜(在质子交换膜两侧涂布催化剂层)、密封边框、阴/阳极碳纸(扩散层)组成。其中，膜电极边框作为双极板密封件的支撑接触部位，不仅可以对电极中的质子交换膜、碳纸等薄型、脆性材料起到保护作用，还可以有效阻隔空气(氧气)与氢气，防止膜电极内部氢氧互渗。

目前，膜电极制备主要方法通常为：将制备好的三合一电极与双层或单层边框材料进行冷贴或热压方式复合形成五合一电极，然后在五合一电极两侧进行阴/阳极碳纸贴合形成七合一电极。其中，电极裁切成型工序一般置于五合一或七合一工序后。

上述提到的膜电极边框结构及电极制备方法存在一些缺陷。一方面，通常膜电极边框结构为质子交换膜外延至电极边框外围，这会显著降低质子交换膜的利用率，增加膜电极的制造成本。另一方面，五合一或七合一电极为边框材料与质子膜的组合体，一般的冲裁成型过程会导致切口部分应力集中从而导致切口边缘处毛刺大、分层等不良现象，尤其是在电极长期运行过程中的水热交变会使得膜电极气体或水腔切口处增加渗漏风险。

随着质子交换膜厚度从数百微米减薄至数十微米，在三合一涂布膜与边框贴合过程中已无需将质子交换膜外延至边框外围，即半膜膜电极密封结构，可以实现三合一涂布膜密封，同时可以减少质子交换膜用量，提升质子交换膜的利用率。

然而，上述方式虽然可以提高膜电极利用率，降低膜电极成本，但是也存在一些缺陷。一方面，在膜电极高温高湿运行环境下容易导致质子交换膜与边框粘结力变小从而导致氢氧互窜，降低膜电极性能和使用寿命。另一方面，半膜结构边框过渡区域存在一定厚度偏差，可能影响膜电极与双极板之间的密封效果，产生一定程度的反应气体外漏等不利影响。

实用新型内容

本实用新型的目的是，在减少质子交换膜用量、提高质子交换膜的利用率，降低膜电极成本的同时，有效降低膜电极在使用过程中，质子交换膜与边框脱离，以及边框厚度偏差产生的反应气体互窜或外漏等风险，增加膜电极长期使用寿命。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种燃料电池膜电极边框，其包含依次堆叠并贴合的上密封边框、中边框、下密封边框三层结构，所述中边框的内缘相对于上密封边框、下密封边框的内缘形成一凹槽，使三合一涂布膜位于该凹槽内，且使得所述三合一涂布膜边缘与所述中边框内缘相切；所述上密封边框、中边框、下密封边框的两侧均设置若干对应的分配孔。

较佳地，所述中边框厚度与所述三合一涂布膜厚度相当。

较佳地，所述分配孔与所述中边框内缘的间距为1～2mm。

较佳地，所述上密封边框、中边框、下密封边框为PET膜、PEN膜、PI膜、PE膜和PVC膜中的任意一种。

本实用新型还公开了一种膜电极组件，包含上述燃料电池膜电极边框，以及该边框内的三合一涂布膜形成的五合一电极；所述五合一电极的上下两侧粘贴碳纸。

较佳地，所述的三合一涂布膜包含质子交换膜及其正反面涂布的催化层，所述三合一涂布膜催化层面积小于或等于质子交换膜面积。

进一步地，所述催化层边缘与上、下密封边框内缘相切或与中边框内缘相切。

较佳地，所述质子交换膜选用全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、非氟聚合物膜和复合膜中的任意一种。

较佳地，所述不同边框之间、边框与三合一涂布膜之间或边框与碳纸之间可通过热熔胶、UV胶、丙烯酸胶、压敏胶和硅胶中的至少一种进行贴合。

本实用新型的技术效果包含：

(1)通过设置与三合一涂布膜厚度相当的中边框补偿半膜结构所带来的厚度偏差，可以提升膜电极边框厚度一致性以及双极板和膜电极密封的可靠性，降低反应气体互窜和向外泄漏的风险。

(2)中边框的设置有利于减小三合一涂布膜的使用面积，从而降低膜电极的成本。

(3)通过上、下密封边框之间设置中边框，在三合一涂布膜和密封边框贴合过程中密封胶还可进一步填充三合一涂布膜与中边框的间隙中，减缓膜电极在高温高湿运行过程中反应气体从三合一涂布膜边缘扩散的现象。

附图说明

图1为本实用新型的膜电极密封边框表面示意图；

图2为本实用新型的膜电极边框结构示意图；

图3、图4为本实用新型的膜电极示意图。

附图标记：1-上密封边框；2-中边框；3-下密封边框；4-分配孔；5-碳纸；6-三合一涂布膜。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”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。

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；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。

除非清楚地指出相反的，这里限定的每个方面或实施方案可以与任何其他一个或多个方面或一个或多个实施方案组合。特别地，任何指出的作为优选的或有利的特征可以与任何其他指出的作为优选的或有利的特征组合。

如图1、图2所示，本实用新型提供一种膜电极边框结构和膜电极组件，一方面，所述膜电极边框结构包含依次堆叠的上密封边框1、中边框2、下密封边框3三层结构。所述上密封边框1、中边框2、下密封边框3的中央设置对应的镂空部，但是中边框2镂空部的长度和宽度尺寸比上密封边框1、下密封边框3的镂空部大，所述中边框2的内缘相对于上密封边框1、下密封边框3的内缘形成一凹槽，使所述三合一涂布膜6位于该凹槽内。所述中边框2内缘与所述三合一涂布膜6的边缘相接。所述上密封边框1、中边框2、下密封边框3的两侧均设置若干对应的分配孔4作为流体(氢气、空气、水)的通道，进一步地，所述分配孔4与所述中边框2内缘保持1～2mm间距，该间距下兼顾了三合一涂布膜6的利用率和边框的结构强度。该情况下分配孔4并未穿过三合一涂布膜6，所以无需考虑三合一涂布膜6与上密封边框1、下密封边框3的对位问题；且避免了冲裁成型过程导致切口部分应力集中，从而导致切口边缘处毛刺大、分层等的不良现象。所述中边框2厚度与三合一涂布膜6外围厚度一致，以尽可能保证密封效果。三合一涂布膜6的价格大约是边框的数十倍，相比起现有的三合一涂布膜6与边框贴合过程中，将质子交换膜外延至边框外围的现有技术，中边框2的设置有利于减小三合一涂布膜6的使用面积，从而降低膜电极的成本。一些实施例中，所述的上、下密封边框和中边框2的材料为PET膜、PEN膜、PI膜、PE膜和PVC膜中的任意一种。

如图3、图4所示，本实用新型还公开了一种应用了上述膜电极边框结的膜电极组件。将所述三合一涂布膜6与所述膜电极边框结构压型后，形成五合一电极。该组件为在所述五合一电极的上下两侧贴合碳纸5，形成的七合一电极。

所述的三合一涂布膜6，由质子交换膜及其正反面涂布催化层后得到。一些实施例中，所述的三合一涂布膜6包含质子交换膜及其正反面涂布的催化层，为使三合一涂布膜插入凹槽部分的厚度和和凹槽宽度保持一致，所述催化层边缘与上、下密封边框内缘相切或与中边框内缘相切；所述催化层面积可小于或等于质子交换膜面积。即：所述催化层面积小于质子交换膜面积时，所述催化层边缘与上、下密封边框内缘相切，所述质子交换膜与中边框内缘相切；所述催化层与质子交换膜形状大小相同时，所述催化层与质子交换膜均与中边框内缘相切。

所述质子交换膜可选用全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、非氟聚合物膜和复合膜中的任意一种，可优先选用增强型质子交换膜。

一些实施例中，所述的三合一涂布膜6和碳纸5贴合时，膜电极边框与三合一涂布膜6贴合及碳纸5与上、下密封边框贴合过程可采用热熔胶、UV胶、丙烯酸胶、压敏胶和硅胶中的至少一种。贴合过程中密封胶还可进一步填充三合一涂布膜6与中边框2的间隙中，减缓膜电极在高温高湿运行过程中反应气体从三合一涂布膜6边缘扩散的现象。

实施例

本实施例为该膜电极组件的组装步骤，具体为：

S1，预设上、中、下密封边框上分配孔4的位置；将准备好的三合一涂布膜6进行裁切，使得三合一涂布膜6外围与预设的分配孔4的位置保持1mm间距；

S2，将膜电极上、中、下密封边框及碳纸5裁切成型，包含对上、中、下密封边框打分配孔4；

S3，依次将上密封边框1、中边框2、三合一涂布膜6、下密封边框3中心对齐，施胶后采用热压方式复合成五合一电极。

综上所述，本实用新型提供的一种燃料电池膜电极边框和膜电极组件，通过设置与三合一涂布膜厚度相当的中边框补偿半膜结构所带来的厚度偏差，可以提升膜电极边框厚度一致性以及双极板和膜电极密封的可靠性，降低反应气体向外泄漏的风险。中边框的设置有利于减小三合一涂布膜的使用面积，从而降低膜电极的成本。另外，通过上、下密封边框之间设置中边框，在三合一涂布膜和密封边框贴合过程中密封胶还可进一步填充三合一涂布膜与中边框的间隙中，减缓膜电极在高温高湿运行过程中反应气体从三合一涂布膜边缘扩散现象。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种燃料电池膜电极边框，其特征在于，包含依次堆叠并贴合的上密封边框、中边框、下密封边框三层结构，所述中边框的内缘相对于上密封边框、下密封边框的内缘形成一凹槽，使三合一涂布膜插入该凹槽内，且所述三合一涂布膜边缘与所述中边框内缘相切；所述上密封边框、中边框、下密封边框的两侧均设置若干对应的分配孔。

2.如权利要求1所述的燃料电池膜电极边框，其特征在于，所述中边框厚度与所述三合一涂布膜厚度相当。

3.如权利要求1所述的燃料电池膜电极边框，其特征在于，所述分配孔与所述中边框内缘的间距为1～2mm。

4.如权利要求1所述的燃料电池膜电极边框，其特征在于，所述上密封边框、中边框、下密封边框为PET膜、PEN膜、PI膜、PE膜和PVC膜中的任意一种。

5.一种膜电极组件，其特征在于，包含如权利要求1～4中任意一项所述的燃料电池膜电极边框与所述三合一涂布膜复合形成的五合一电极；所述五合一电极的上下两侧粘贴碳纸。

6.如权利要求5所述的膜电极组件，其特征在于，所述的三合一涂布膜包含质子交换膜及其正反面涂布的催化层，所述催化层面积小于或等于质子交换膜面积。

7.如权利要求6所述的膜电极组件，其特征在于，所述催化层边缘与上、下密封边框内缘相切或与中边框内缘相切。

8.如权利要求6所述的膜电极组件，其特征在于，所述质子交换膜选用全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、非氟聚合物膜和复合膜中的任意一种。

9.如权利要求5所述的膜电极组件，其特征在于，不同所述边框之间或边框与三合一涂布膜之间或边框与碳纸之间可通过热熔胶、UV胶、丙烯酸胶、压敏胶和硅胶中的至少一种进行贴合。

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