CN219892211U - 一种燃料电池膜电极封装结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种燃料电池膜电极封装结构，包括质子交换膜，所述质子交换膜的一侧设置有阳极催化层，所述质子交换膜的另一侧设置有阴极催化层；所述阳极催化层远离所述质子交换膜的一侧设置有阳极扩散层，所述阴极催化层远离所述质子交换膜的一侧设置有阴极扩散层，所述阳极扩散层和所述阴极扩散层上均设置T字型气体扩散层。本实用新型降低了对位难度，有利于提高贴合精度，下表面不点胶直接与催化剂层接触，避免了GDL点胶再贴合造成的催化剂层浪费，减小了催化剂层与GDL之间的接触电阻，同时降低了后续装配的难度，有利于提升良品率。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池膜电极封装技术领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极封装结构。
背景技术
燃料电池是一种洁净、高效的能源转化技术，有望在未来清洁能源体系中扮演重要角色，膜电极组件（MEA）——燃料电池的核心部件，其品质的优劣直接决定电池的综合性能，膜电极组件的制备过程中，封装步骤通过影响膜电极的密封性、机械稳定性等，进而决定膜电极的综合性能。毋庸置疑的是，先进的封装结构对获取优异的性能至关重要。
专利“CN111834655A”介绍了一种MEA封装结构，如图1所示，双面涂布催化剂的质子膜（CCM）塑封在上下两层边框膜中形成五合一密封结构，气体扩散层（GDL）点胶后粘接在CCM上，由于胶水会污染催化剂层，此种封装结构减小CCM活性区域，降低催化剂层利用率，提高生产成本。
专利“CN215008294U”介绍了另一种MEA封装结构，如图2所示，GDL粘接在边框上，可以看到GDL与CCM之间存在一定高度差，虽后续可通过装配力作用将GDL压合在CCM上，但这会增大CCM与GDL之间接触电阻，同时对装配力提出了要求：若力太小则会导致GDL无法完全贴合在CCM上，增大接触电阻；若力太大，则会导致质子膜（PEM）受力过大，降低机械稳定性，这无疑会大大增加装配难度，提高生产成本。
专利“CN211980786U”通过设置四层边框结构，其中内层边框的厚度较薄，从而有效地减小了高度差，但这无法从根本上解决此问题。
综上所述，现阶段MEA封装结构还有极大的进步空间。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决现有技术中以下缺点，目前的燃料电池膜电极封装结构，其GDL与CCM之间的接触电阻较大，电堆装配难度较高，良品率较低，而提出的一种燃料电池膜电极封装结构。
为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
一种燃料电池膜电极封装结构，包括质子交换膜，所述质子交换膜的一侧设置有阳极催化层，所述质子交换膜的另一侧设置有阴极催化层；
所述阳极催化层远离所述质子交换膜的一侧设置有阳极扩散层，所述阴极催化层远离所述质子交换膜的一侧设置有阴极扩散层，所述阳极扩散层和所述阴极扩散层上均设置T字型气体扩散层。
优选的，所述T字型气体扩散层包括上表面和下表面，所述T字型气体扩散层还包括第一阶梯面和第二阶梯面。
优选的，其中一个所述下表面和所述阳极催化层的表面相贴合，另一个所述下表面和所述阴极催化层的表面相贴合。
优选的，所述质子交换膜的外侧设置有阳极边框，所述质子交换膜的外侧还设置有阴极边框。
优选的，所述阳极边框和所述阴极边框的中部均开设有通孔，所述通孔用于连接所述质子交换膜。
优选的，所述质子交换膜的外侧设置有粘接剂层，所述粘接剂层设置在所述阳极边框和所述阴极边框之间。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本申请中燃料电池膜电极封装结构的气体扩散层具有T字型结构，所形成的第二阶梯面可作为贴合GDL过程中的定位面，降低了对位难度，有利于提高贴合精度，下表面不点胶直接与催化剂层接触，避免了GDL点胶再贴合造成的催化剂层浪费，减小了催化剂层与GDL之间的接触电阻，同时降低了后续装配的难度，有利于提升良品率。
附图说明
图1为一种MEA封装结构；
图2为另一种MEA封装结构；
图3为本实用新型提出的膜电极封装结构；
图4为T字型气体扩散层截面示意图。
图中：1阳极扩散层、2阳极边框、3阳极催化层、4质子交换膜、5粘接剂层、6阴极催化层、7阴极边框、8阴极扩散层、9上表面、10第一阶梯面、11第二阶梯面、12下表面。
实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
本实用新型中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
参照图1-4，一种燃料电池膜电极封装结构，包括质子交换膜4，质子交换膜4的一侧设置有阳极催化层3，质子交换膜4的另一侧设置有阴极催化层6，阳极催化层3远离质子交换膜4的一侧设置有阳极扩散层1，阴极催化层6远离质子交换膜4的一侧设置有阴极扩散层8，阳极扩散层1和阴极扩散层8上均设置T字型气体扩散层。
T字型气体扩散层包括上表面9和下表面12，T字型气体扩散层还包括第一阶梯面10和第二阶梯面11，其中一个下表面12和阳极催化层3的表面相贴合，另一个下表面12和阴极催化层6的表面相贴合。
质子交换膜4的外侧设置有阳极边框2，质子交换膜4的外侧还设置有阴极边框7，阳极边框2和阴极边框7的中部均开设有通孔，通孔用于连接质子交换膜4，质子交换膜4的外侧设置有粘接剂层5，粘接剂层5设置在阳极边框2和阴极边框7之间。
阳极催化层3和阴极催化层6均匀地涂布在质子交换膜4两侧，涂布工艺可以是喷涂、狭缝挤压涂布等方式。
阳极边框2和阴极边框7材料上负有粘接剂，用于粘接，一般是胶层，可选用氟胶、氟硅胶、硅胶等各种胶层，胶层种类也可以根据实际需要更改，例如热熔胶、压敏胶或光固化胶，边框厚度30-150um，材料可以是PEN、PET或PI。
阳极边框2和阴极边框7的中心部分要裁剪掉，形成通孔，通孔尺寸大小和涂有催化剂的质子交换膜4大小相近，各边尺寸比质子交换膜4短0.5-10mm。
T字型气体扩散层的下表面12面积与催化剂层面积相同，贴合时下表面12紧贴在催化剂层上，其上表面9尺寸大于密封边框通孔，上表面9各边比密封边框通孔各边长1-10mm。
T字型气体扩散层由两张尺寸不等的碳纸热压制成，大尺寸碳纸两面均不涂覆微孔层，小尺寸一面碳纸涂覆有微孔层且背离微孔层面与大尺寸碳纸热压形成T字型结构，小尺寸碳纸的厚度不大于边框厚度，可根据具体封装工艺差异而调整。
具体的，采用狭缝挤压涂布工艺将阳极催化层3和阴极催化层6均匀地涂布在质子交换膜4两侧，质子交换膜4面积大于催化剂层，各边相较于催化剂层长2mm。
具体的，阳极边框2和阴极边框7的厚度为125um，基材材质为PET，基材厚度为100um，基材上涂覆热熔胶膜，胶膜厚度约25um。阳极边框2和阴极边框7通过裁切形成流道与中心通孔，中心通孔呈矩形，尺寸与催化剂层尺寸相等，阳极边框2和阴极边框7内缘搭接在涂布催化剂层的质子交换膜4上，外缘则是通过粘接剂层5相互粘接。
具体的，封装过程中先将阴极边框7放置在装配工装，粘接剂层5朝上，再将涂布催化剂质子交换膜4放置在阴极边框7上，阴极侧催化剂层朝下，再放置阳极边框2，粘接剂层5朝下，最后通过热压形成五合一密封结构，热压温度100-140℃，本实例优选120℃，压力为0.5-2MPa，本实例优选1MPa，热压时间为0-90s，本实例优选20s。
具体的，如图4所示，阴、阳极侧气体扩散层呈T字型结构，上表面9尺寸大于下表面12与密封边框通孔尺寸，密封边框即阳极边框2和阴极边框7。
具体的，T字型气体扩散层可由两片不同尺寸的碳纸热压制得，其中大尺寸碳纸两面均不涂布微孔层（MPL），而小尺寸碳纸一面涂覆微孔层且背离微孔层面与大尺寸碳纸热压形成T字型结构气体扩散层，小尺寸碳纸与阴（阳）极催化剂层的厚度之和与阴（阳）极侧密封边框厚度相等，此方法制备T字形结构气体扩散层简单便捷、不需要额外辅助模具或涂布步骤，有利于简化生产步骤、节省成本，实现大规模应用。
具体的，贴合气体扩散层时，阴、阳极侧气体扩散层的第一阶梯面10上点胶后分别粘接在阴、阳极侧密封边框上，形成七合一结构，所选胶水为热熔胶。
具体的，第一阶梯面10与边框内缘各边搭接距离为2mm，第二阶梯面11紧靠密封边框通孔侧壁，在贴合过程中第二阶梯面11可作定位面，方便气体扩散层与边框对位，提高对齐精度，下表面12尺寸与催化剂层尺寸相等，贴合时下表面12紧贴催化剂层，这有利于减少催化剂层与气体扩散层之间的接触电阻，降低对装配力的要求，由于下表面12的支撑作用，气体扩散层上表面9在装配过程中始终保持平整状态，有利于减小应力集中。
本申请中燃料电池膜电极封装结构的气体扩散层具有T字型结构，所形成的第二阶梯面11可作为贴合GDL过程中的定位面，降低了对位难度，有利于提高贴合精度，下表面12不点胶直接与催化剂层接触，避免了GDL点胶再贴合造成的催化剂层浪费，减小了催化剂层与GDL之间的接触电阻，同时降低了后续装配的难度，有利于提升良品率。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种燃料电池膜电极封装结构，包括质子交换膜（4），其特征在于，所述质子交换膜（4）的一侧设置有阳极催化层（3），所述质子交换膜（4）的另一侧设置有阴极催化层（6）；
所述阳极催化层（3）远离所述质子交换膜（4）的一侧设置有阳极扩散层（1），所述阴极催化层（6）远离所述质子交换膜（4）的一侧设置有阴极扩散层（8），所述阳极扩散层（1）和所述阴极扩散层（8）上均设置T字型气体扩散层。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极封装结构，其特征在于,所述T字型气体扩散层包括上表面（9）和下表面（12），所述T字型气体扩散层还包括第一阶梯面（10）和第二阶梯面（11）。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池膜电极封装结构，其特征在于，其中一个所述下表面（12）和所述阳极催化层（3）的表面相贴合，另一个所述下表面（12）和所述阴极催化层（6）的表面相贴合。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极封装结构，其特征在于，所述质子交换膜（4）的外侧设置有阳极边框（2），所述质子交换膜（4）的外侧还设置有阴极边框（7）。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池膜电极封装结构，其特征在于，所述阳极边框（2）和所述阴极边框（7）的中部均开设有通孔，所述通孔用于连接所述质子交换膜（4）。
6.根据权利要求4所述的一种燃料电池膜电极封装结构，其特征在于，所述质子交换膜（4）的外侧设置有粘接剂层（5），所述粘接剂层（5）设置在所述阳极边框（2）和所述阴极边框（7）之间。
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