膜电极结构及燃料电池制造技术

本发明专利技术提供了一种膜电极结构及燃料电池，膜电极结构包括：膜电极，包括质子交换膜和分别位于质子交换膜的相对两侧的阴极催化剂层和阳极催化剂层；两个气体扩散层，两个气体扩散层分别设置在膜电极的相对两侧且均与膜电极粘接；两个保护边框，两个保护边框与两个气体扩散层一一对应地设置，各个两个保护边框均套设在相应的气体扩散层外且与相应的气体扩散层间隔设置，各个两个保护边框均与膜电极粘接，解决了现有技术中的膜电极结构的膜电极的结构稳定性和可靠性较差的问题。结构稳定性和可靠性较差的问题。结构稳定性和可靠性较差的问题。

【技术实现步骤摘要】
膜电极结构及燃料电池


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体而言，涉及一种膜电极结构及燃料电池。

技术介绍

[0002]燃料电池是组成燃料电池电堆的最小单元结构，燃料电池结构一般包括七合一膜电极、密封结构和极板。其中，膜电极(MEA)是燃料电池的关键核心部件，主要由质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、阴极气体扩散层以及阳极气体扩散层组成。膜电极包含密封功能，在燃料电池中起到隔绝阳极燃料和阴极氧化剂的作用。膜电极通过极板对膜电极和密封件进行夹紧，密封件在夹紧力作用下能够产生良好的密封效果，可以防止反应材料泄露到燃料电池外部，膜电极中的气体扩散层在夹紧力的作用下保持与催化层的良好接触从而实现了最小接触电阻效果。
[0003]目前的膜电极密封技术通过对密封件的材料、位置、尺寸、结构和工艺的设计来实现良好的密封，其中，合适的结构对于实现膜电极的良好密封具有重要的作用。如在专利CN213636046U中，通过在膜电极密封边框中设置合适的凹槽对催化层和质子膜进行限位；在CN102804468A中，对密封件结构进行了设计，在密封件一侧以极板作为支撑，另一侧伸出多个结构，一部分用于作为质子膜的支撑，另一部分与另一极板粘接，以实现质子膜部分的良好密封；在CN113921874A中，为膜电极设计了两层边框结构，内层为拉伸强度更高的聚萘二甲酸乙二醇酯，外层为化学性质更稳定的聚酰亚胺，将内层边框插入至碳纸底端与质子膜接触，通过胶粘等方式实现密封。同样地，在专利CN212625675U、CN112421070A、CN115172832A等中也对膜电极的结构和工艺流程进行了设计以用于实现良好的密封效果。
[0004]但是，现有技术中的膜电极结构的结构稳定性和可靠性较差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种膜电极结构及燃料电池，以解决现有技术中的膜电极结构的膜电极的结构稳定性和可靠性较差的问题。
[0006]为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种膜电极结构，包括：膜电极，包括质子交换膜和分别位于质子交换膜的相对两侧的阴极催化剂层和阳极催化剂层；两个气体扩散层，两个气体扩散层分别设置在膜电极的相对两侧且均与膜电极粘接；两个保护边框，两个保护边框与两个气体扩散层一一对应地设置，各个保护边框均套设在相应的气体扩散层外且与相应的气体扩散层间隔设置，各个保护边框均与膜电极粘接。
[0007]进一步地，两个气体扩散层包括阴极气体扩散层和阳极气体扩散层；两个保护边框包括阴极保护边框和阳极保护边框；其中，阴极气体扩散层和阴极保护边框均设置在阴极催化剂层的远离质子交换膜的一侧；阳极气体扩散层和阳极保护边框均设置在阳极催化剂层的远离质子交换膜的一侧。
[0008]进一步地，膜电极、阴极气体扩散层以及阳极气体扩散层均为矩形，阴极保护边框和阳极保护边框也均为矩形框体。
[0009]进一步地，膜电极的长度大于阴极气体扩散层的长度，阴极气体扩散层的长度大于阳极气体扩散层的长度，膜电极的宽度大于阴极气体扩散层的宽度，阴极气体扩散层的宽度大于阳极气体扩散层的宽度；阴极保护边框内圈的长度大于阳极保护边框的内圈的长度，阴极保护边框内圈的宽度大于阳极保护边框的内圈的宽度，且阴极保护边框外圈的长度等于阳极保护边框的外圈的长度，阴极保护边框外圈的宽度等于阳极保护边框的外圈的宽度。
[0010]进一步地，膜电极的长度大于阳极气体扩散层的长度，阳极气体扩散层的长度大于阴极气体扩散层的长度，膜电极的宽度大于阳极气体扩散层的宽度，阳极气体扩散层的宽度大于阴极气体扩散层的宽度；阴极保护边框内圈的长度小于阳极保护边框的内圈的长度，阴极保护边框内圈的宽度小于阳极保护边框的内圈的宽度，且阴极保护边框外圈的长度等于阳极保护边框的外圈的长度，阴极保护边框外圈的宽度等于阳极保护边框的外圈的宽度。
[0011]进一步地，阴极气体扩散层和阳极气体扩散层与膜电极之间均设置有粘接层。
[0012]进一步地，位于阴极气体扩散层与膜电极之间的粘接层为阴极粘接层，阴极粘接层的厚度为0.001mm至2mm；和/或位于阳极气体扩散层与膜电极之间的粘接层为阳极粘接层，阳极粘接层的厚度为0.001mm至2mm。
[0013]进一步地，阴极气体扩散层的厚度为0.01mm至10mm；和/或阳极气体扩散层的厚度为0.01mm至10mm；和/或阴极保护边框的厚度为0.01mm至1mm；和/或阳极保护边框的厚度为0.01mm至1mm。
[0014]进一步地，阴极催化剂层的厚度为0.001mm至1mm；和/或阳极催化剂层的厚度为0.001mm至1mm。
[0015]根据本专利技术的另一方面，还提供了一种燃料电池，包括沿预定方向依次间隔设置的多个双极板，任意相邻两个双极板之间均设置有上述的膜电极结构，膜电极结构的相对两侧和相应的双极板之间均夹设有密封圈。
[0016]应用本专利技术的技术方案，本专利技术的膜电极结构包括：膜电极，包括质子交换膜和分别位于质子交换膜的相对两侧的阴极催化剂层和阳极催化剂层；两个气体扩散层，两个气体扩散层分别设置在膜电极的相对两侧且均与膜电极粘接；两个保护边框，两个保护边框与两个气体扩散层一一对应地设置，各个保护边框均套设在相应的气体扩散层外且与相应的气体扩散层间隔设置，各个保护边框均与膜电极粘接。这样，本专利技术的膜电极结构通过采用包括质子交换膜的相对两侧的阴极催化剂层和阳极催化剂层的膜电极，扩大了膜电极的活性区域，提高了膜电极的电化学活性，提高了膜电极结构的使用寿命；并通过在膜电极的两侧的边缘处均粘接保护边框，使各个保护边框均套设在相应的气体扩散层外，以用于固定质子交换膜以及实现质子交换膜外侧的密封，对质子交换膜的易出现问题的边缘处进行了保护，确保了粘接位置的强度，使得膜电极不会因垂直方向的剪切力而脱离接合或者破裂，有效地提升了膜电极结构的稳定性，实现了对膜电极的良好密封；还通过使各个保护边框均与相应的气体扩散层间隔设置，在气体扩散层与保护边框之间留出了充足的空间，以为之后可能的装配误差提供了充足的冗余空间，进一步提升了膜电极结构的可靠性，解决了现有技术中的膜电极结构的膜电极的结构稳定性和可靠性较差的问题。
附图说明
[0017]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0018]图1示出了根据本专利技术的膜电极结构的实施例的剖视图；
[0019]图2示出了图1所示的膜电极结构的膜电极的剖视图。
[0020]其中，上述附图包括以下附图标记：
[0021]1、膜电极；11、质子交换膜；12、阴极催化剂层；13、阳极催化剂层；2、粘接层；21、阴极粘接层；22、阳极粘接层；3、气体扩散层；31、阴极气体扩散层；32、阳极气体扩散层；4、保护边框；41、阴极保护边框；42、阳极保护边框；5、密封圈；51、第一密封圈；52、第二密封圈。
具体实施方式
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膜电极结构，其特征在于，包括：膜电极(1)，包括质子交换膜(11)和分别位于所述质子交换膜(11)的相对两侧的阴极催化剂层(12)和阳极催化剂层(13)；两个气体扩散层(3)，所述两个气体扩散层(3)分别设置在所述膜电极(1)的相对两侧且均与所述膜电极(1)粘接；两个保护边框(4)，所述两个保护边框(4)与所述两个气体扩散层(3)一一对应地设置，各个所述两个保护边框(4)均套设在相应的所述气体扩散层(3)外且与相应的所述气体扩散层(3)间隔设置，各个所述两个保护边框(4)均与所述膜电极(1)粘接。2.根据权利要求1所述的膜电极结构，其特征在于，所述两个气体扩散层(3)包括阴极气体扩散层(31)和阳极气体扩散层(32)；所述两个保护边框(4)包括阴极保护边框(41)和阳极保护边框(42)；其中，所述阴极气体扩散层(31)和所述阴极保护边框(41)均设置在所述阴极催化剂层(12)的远离所述质子交换膜(11)的一侧；所述阳极气体扩散层(32)和所述阳极保护边框(42)均设置在所述阳极催化剂层(13)的远离所述质子交换膜(11)的一侧。3.根据权利要求2所述的膜电极结构，其特征在于，所述膜电极(1)、所述阴极气体扩散层(31)以及所述阳极气体扩散层(32)均为矩形，所述阴极保护边框(41)和所述阳极保护边框(42)也均为矩形框体。4.根据权利要求3所述的膜电极结构，其特征在于，所述膜电极(1)的长度大于所述阴极气体扩散层(31)的长度，所述阴极气体扩散层(31)的长度大于所述阳极气体扩散层(32)的长度，所述膜电极(1)的宽度大于所述阴极气体扩散层(31)的宽度，所述阴极气体扩散层(31)的宽度大于所述阳极气体扩散层(32)的长度；所述阴极保护边框(41)内圈的长度大于所述阳极保护边框(42)的内圈的长度，所述阴极保护边框(41)内圈的宽度大于所述阳极保护边框(42)的内圈的宽度，且所述阴极保护边框(41)外圈的长度等于所述阳极保护边框(42)的外圈的长度，所述阴极保护边框(41)外圈的宽度等于所述阳极保护边框(42)的外圈的宽度。5.根据权利要求3所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆维，刘元宇，刘泽慧，王晓雪，史林军，叶楠楠，杨琛，
申请(专利权)人：国家电投集团氢能科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：