一种燃料电池的膜电极及其燃料电池制造技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池的膜电极及其燃料电池，包括位于中间的质子交换膜，位于质子交换膜两侧且与其装夹为一体的第一气体扩散层和第二气体扩散层，第二气体扩散层外周与第一气体扩散层外周呈不平齐状，分别形成扩散层外延间距，同时各扩散层外延间距与质子交换膜对应配合形成用于避免第一气体扩散层和第二气体扩散层之间直接接触的密封结构；本发明专利技术通过扩散层外延间距的结构设计使得膜电极不再具有气体扩散层和膜电极边框的重叠区域，从而保持整个膜电极厚度均匀，可靠地避免了由于膜电极厚度不均导致的膜电极活性区域和极板接触不良问题，而且本发明专利技术还惊喜地解决了膜电极边缘处易发生质子交换膜的破损问题，同时避免膜电极由于膜破裂而可能会发生的串气、短路等引起电堆报废和安全事故的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池的膜电极及其燃料电池
本专利技术属于燃料电池
，具体涉及了一种燃料电池的膜电极，本专利技术还涉及了该膜电极应用的燃料电池。
技术介绍
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，能量转化率高；而且采用氢作为燃料的燃料电池反应产物为水，环境友好，理论上可实现零污染排放；另外，燃料电池没有机械传动部件，运动部件少，工作时噪音很低；而且燃料电池还具有比能量高，可靠性高，燃料范围广，启动时间短，体积小，携带方便等优点。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是目前最有发展前途的发电技术。从结构上来说，燃料电池通常包括膜电极(也称为MEA)与集电器(CurrentCollector)；其中，燃料电池的膜电极是还原剂(通常为甲醇或氢气等燃料)发生氧化反应以及氧化剂(通常为氧气或空气)发生还原反应的电化学反应场所。具体来说，传统膜电极主要包括位于中间且其两侧分别一体设有阴极和阳极的质子交换膜(也称为PEM膜)和分别位于质子交换膜上下表面的气体扩散层(也称为GDL膜)组成，为了促进电化学反应的发生，一般还会在阴极、阳极和质子交换膜之间设置催化剂(通常位于质子交换膜与气体扩散层之间的界面)，膜电极的主要工作原理是：质子交换膜本身的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子；在燃料电池工作时，还原剂与氧化剂分别经过两侧相对的气体扩散层均匀分散到子交换膜的阴极、阳极表面并在催化剂的作用下发生电化学反应，通过集电器将电化学反应中产生的电子通过电路引出，和负载构成电路回路。对于膜电极的实际制造工艺来说，如果无法实现对膜电极的良好封装性能，可能会导致氧化剂与氧化剂进行直接接触(俗称为串气)或从燃料电池中泄漏，对燃料电池的性能发生负面影响甚至出现爆炸等安全隐患。因此，为了实现对膜电极的良好封装，现有技术中有较多关于燃料电池的膜电极的研究，但这些封装结构均存在一些新的技术问题：请参见图1所示，最为典型的封装方法是将质子交换膜11的四周尺寸相对其两侧的气体扩散层12a，12b向四周延伸，在后续封装时，通过四周延伸的质子交换膜11被密封装夹在集电器之间。该技术方案虽然解决了封装结构问题，然而该方案在实际工艺实施时被发现由于四周延伸的质子交换膜11很薄，在膜电极10进行装夹转配时，位于气体扩散层12a，12b对称分布使得四周延伸的质子交换膜11与气体扩散层12a，12b的边缘端部容易发生机械破损，进而造成新的串气、短路问题。为此，目前已有相关改进措施，具体是在膜电极结构中引入对质子交换膜的聚合物胶层封边方案，可参见专利授权公告号CN101393989B的方案，请参见图2(为CN101393989B的图7)所示，CN101393989B具体公开了一种膜电极8的截面结构，包括催化剂活性区4、催化剂活性区5、气体扩散层6以及气体扩散层7，膜电极8还分别设有带有保护膜的离子交换膜卷片A、带有衬底加强的密封边框卷片B以及带有衬底加强的密封边框卷片C，这虽然解决了对质子交换膜端部的机械破损问题，但又带来了新的问题：由于密封边框卷片的结构(一般为聚合物胶层)封边不可避免地与膜电极存在重叠区域，由于该重叠区域的厚度大于膜电极本身的活性区域，当对膜电极进行装夹转配施加压力时，重叠区域的形变量远大于活性区域的形变量，这会导致重叠区域的应力集中，不仅容易对膜电极活性区域本身发生应力损伤，同时也会对与其封装配合的集电器发生机械应力损伤，尤其当采用硅极板等平面结构作为集电器时，会导致硅极板的超高碎片率，必须对硅极板进行结构改进才可改善，同时还会导致膜电极本身的活性区域电接触不良问题，对燃料电极的电性能进一步产生负面影响。因此，基于以上技术现状，本申请人迫切希望寻求技术方案来解决现有技术存在的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种燃料电池的膜电极及其燃料电池，通过对在质子交换膜的四周边缘方向形成扩散层外延间距的结构设计，在保持膜电极活性区域厚度均匀且不再具有气体扩散层和聚合物胶层封边的重叠区域，可靠地避免膜电极活性区域接触不良问题，而且本专利技术还惊喜地解决了膜电极边缘处易发生质子交换膜的破损问题，同时避免膜电极由于膜破裂而可能会发生的串气、短路以及集流器上应力不均造成的损坏等问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种燃料电池的膜电极，包括位于中间的质子交换膜，位于所述质子交换膜两侧且与其装夹为一体的第一气体扩散层和第二气体扩散层，所述第二气体扩散层外周与所述第一气体扩散层外周呈不平齐状，分别形成扩散层外延间距，同时各扩散层外延间距与所述质子交换膜对应配合形成用于避免所述第一气体扩散层和第二气体扩散层之间直接接触的密封结构。优选地，各扩散层外延间距不小于1mm。优选地，各扩散层外延间距相等或不相等。优选地，所述第一气体扩散层和/或第二气体扩散层的厚度范围为10μm-2mm。优选地，所述第一气体扩散层和第二气体扩散层的厚度相等或不相等，所述扩散层外延间距均不小于所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层的厚度。优选地，所述第一气体扩散层外侧和/或第二气体扩散层外侧设有密封边框，通过所述密封边框与所述质子交换膜密封安装连接，用于提高所述膜电极的安装强度。优选地，所述质子交换膜四周相对于所述扩散层外延间距向外侧延伸，形成用于与密封边框对应密封配合的封装间距。优选地，所述密封边框与各所述扩散层外延间距对应配合，用于填补各所述扩散层外延间距，提高所述膜电极的安装强度。优选地，一种燃料电池，包括膜电极，所述膜电极分别位于两侧的密封边框与集电器装夹连接为一体，所述膜电极采用如上所述的膜电极。优选地，所述集电器采用硅极板或石墨极板或金属极板或陶瓷极板或复合材料极板。优选地，所述质子交换膜、第一气体扩散层和第二气体扩散层采用正方型形状或长方型或弧型形状。优选地，一种燃料电池，包括膜电极，所述膜电极分别位于两侧的密封边框与集电器装夹连接为一体，所述膜电极采用如上所述的燃料电池的膜电极。优选地，所述集电器采用硅极板或石墨极板或金属极板或陶瓷极板或复合材料极板。需要说明的是，本申请涉及的质子交换膜的两侧分别一体设有阴极层和阳极层(设置方式可以采用热压或其他公知方式)，同时为了促进电化学反应发生，还可以分别在阴极层与质子交换膜，以及质子交换膜与阳极层之间进一步涂覆设置催化剂层，这些都是燃料电池领域的公知常识，可以直接购买得到如上所述的具有阴极层、阳极层以及催化剂层的质子交换膜产品，由于本申请对本部分没有特别创新之处，为了简化说明篇幅，本申请将从该质子交换膜产品统一称为质子交换膜，具体实施时可以采用现有技术中的任意一种质子交换膜，不作为对本申请的限定
技术实现思路
。还需要说明的是，本申请涉及的质子交换膜、第一气体扩散层、第二气体扩散层、密封边框均可以分别采用现有技术中的任意公知质子交换膜材料、公知气体扩散层材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池的膜电极，包括位于中间的质子交换膜，位于所述质子交换膜两侧且与其装夹为一体的第一气体扩散层和第二气体扩散层，其特征在于，所述第二气体扩散层外周与所述第一气体扩散层外周呈不平齐状，分别形成扩散层外延间距，同时各扩散层外延间距与所述质子交换膜对应配合形成用于避免所述第一气体扩散层和第二气体扩散层之间直接接触的密封结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池的膜电极，包括位于中间的质子交换膜，位于所述质子交换膜两侧且与其装夹为一体的第一气体扩散层和第二气体扩散层，其特征在于，所述第二气体扩散层外周与所述第一气体扩散层外周呈不平齐状，分别形成扩散层外延间距，同时各扩散层外延间距与所述质子交换膜对应配合形成用于避免所述第一气体扩散层和第二气体扩散层之间直接接触的密封结构。


2.根据权利要求1所述的燃料电池的膜电极，其特征在于，各扩散层外延间距不小于1mm。


3.根据权利要求1所述的燃料电池的膜电极，其特征在于，各扩散层外延间距相等或不相等。


4.根据权利要求1所述的燃料电池的膜电极，其特征在于，所述第一气体扩散层和/或第二气体扩散层的厚度范围为10μm-2mm。


5.根据权利要求1所述的燃料电池的膜电极，其特征在于，所述第一气体扩散层和第二气体扩散层的厚度相等或不相等，所述扩散层外延间距均不小于所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦臻，朱景兵，施正荣，王沛远，杨克蒋，
申请(专利权)人：浙江海晫新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33