燃料电池膜电极结构的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体地，涉及一种燃料电池膜电极结构。


背景技术：

2.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，燃料电池中的核心部件是膜电极，膜电极是电池内部能量转换的场所，膜电极承担燃料电池内的多相物质传输。
3.相关技术中，膜电极是由上下两层边框夹着涂敷有催化层的质子膜制成的，边框所带胶层为热熔胶，热熔胶的固话温度通常在100℃以上，因此，上下两层边框的贴合需要在温度100℃以上进行操作。然而，质子膜和基膜具有热缩特性，贴合后的边框容易出现褶皱、气泡、翘曲等现象，导致膜电极表观状态不良，甚至出现窜气等问题。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种燃料电池膜电极结构，该燃料电池膜电极结构避免了现有技术中双层边框贴合时产生的褶皱、气泡和翘曲等问题，还避免了边框边缘与质子膜的直接接触，延长了质子膜的使用寿命。
5.本发明实施例的燃料电池膜电极结构，包括本体，所述本体上具有槽口，所述槽口在所述本体的厚度方向上贯穿所述本体；质子交换膜，所述质子交换膜设在所述本体在其厚度方向上的一侧，且所述质子交换膜的至少部分与所述槽口相对布置；催化层，所述催化层设在所述质子交换膜邻近所述本体的侧面和远离所述本体的侧面；胶面层，所述胶面层连接在所述本体和所述质子交换膜之间以将所述本体和所述质子交换膜间隔开，所述胶面层位于所述槽口的外周缘；扩散层，所述扩散层包括第一扩散层和第二扩散层，所述第一扩散层设在所述槽口内，所述第二扩散层设在所述质子交换膜远离所述本体的一侧。
6.本发明实施例的燃料电池膜电极结构，包括一个本体，与现有将技术相比避免了双层本体贴合而产生的褶皱、气泡和翘曲等问题，质子交换膜位于第一扩散层和第二扩散层之间，以使第一扩散层和第二扩散层对质子交换膜进行密封，避免了边框和质子交换膜的直接接触，缓解了因干湿循环造成的裸露的质子交换膜的应力损伤，同时，也减少了质子交换膜的机械损伤，由此，本发明实施例的燃料电池膜电极结构不尽可避免本体出现褶皱、气泡和翘曲等，还可对质子交换膜进行保护，延长了质子交换膜的使用寿命。
7.在一些实施例中，所述胶面层的内边缘位于所述槽口的壁面的内侧，所述胶面层的外边缘位于所述槽口的壁面的外侧且位于所述本体的外边缘的内侧。
8.在一些实施例中，所述槽口的壁面与所述胶面层的外边缘在从所述槽口的中心朝向所述槽口的壁面的方向上的尺寸为4mm-5mm。
9.在一些实施例中，所述槽口的壁面与所述胶面层的内边缘在从所述槽口的中心朝向所述槽口的壁面的方向上的尺寸为1.5mm-2mm。
10.在一些实施例中，所述第一扩散层邻近所述质子交换膜的一侧的至少部分与所述胶面层邻近所述本体的一侧的至少部分相连。
11.在一些实施例中，所述质子交换膜的外边缘位于所述槽口的壁面的外侧。
12.在一些实施例中，所述质子交换膜的外边缘位于所述胶面层的内边缘的外侧且位于所述胶面层的外边缘的内侧。
13.在一些实施例中，所述第二扩散层的外边缘位于所述质子交换膜的外边缘的外侧。
14.在一些实施例中，所述第二扩散层邻近所述质子交换膜的一侧的至少部分与所述胶面层远离所述本体的一侧相连。
15.在一些实施例中，所述第一扩散层的外边缘位于所述槽口的壁面的内侧，所述第二扩散层的外边缘位于所述槽口的壁面的外侧且位于所述本体的外边缘的内侧。
附图说明
16.图1是根据本发明实施例的燃料电池膜电极结构的示意图。
17.附图标记：1、本体；11、槽口；2、质子交换膜；3、催化层；4、胶面层；5、扩散层；51、第一扩散层；52、第二扩散层。
具体实施方式
18.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
19.如图1所示，根据本发明实施例的燃料电池膜电极结构包括本体1、质子交换膜2、催化层3、胶面层4和扩散层5。本体1上具有槽口11，槽口11在本体1的厚度方向上贯穿本体1。具体地，本体1设有一个，且本体1呈回字形。本体1为pps(聚苯硫醚)、pen(聚萘二甲酸乙二醇酯)、耐高温pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、pi(聚酰亚胺)等。槽口11的壁面到本体1的外边缘的尺寸为5.5mm-7mm。
20.质子交换膜2设在本体1在其厚度方向上的一侧，且质子交换膜2的至少部分与槽口11相对布置。催化层3设在质子交换膜2邻近本体1的侧面和远离本体1的侧面。胶面层4连接在本体1和质子交换膜2之间以将本体1和质子交换膜2间隔开，胶面层4位于槽口11的外周缘。具体地，胶面层4呈回字形。胶面层4和质子交换膜2之间具有静电，由此，质子交换膜2利用静电作用吸附在胶面层4上。扩散层5包括第一扩散层51和第二扩散层52，第一扩散层51设在槽口11内。
21.具体地，如图1所示，质子交换膜2位于第一扩散层51和第二扩散层52之间，且第一扩散层51邻近质子交换膜2的一侧面与质子交换膜2邻近第一扩散层51的一侧面相贴合，第二扩散层52邻近质子交换膜2的一侧面与质子交换膜2邻近第二扩散层52的一侧面相贴合，以使第一扩散层51和第二扩散层52对质子交换膜2进行密封，避免了边框和质子交换膜2的直接接触，缓解了因干湿循环造成的裸露的质子交换膜2的应力损伤，同时，也减少了质子交换膜2的机械损伤。
22.具体地，胶面层4是热可塑性、热硬化性胶材等，例如聚氨酯系、聚酯基系、聚酰胺系、乙烯-乙烯基系、聚烯烃系聚合物。
23.在一些实施例中，质子交换膜2邻近第一扩散层51的侧面均涂有催化层3，以使在质子交换膜2邻近第一扩散层51的侧面上涂敷催化层3时操作简单。
24.在一些实施例中，质子交换膜2邻近第一扩散层51的部分侧面涂有催化层3，且质子交换膜2涂有催化层3的部分侧面与第一扩散层51相对布置，质子交换膜2邻近胶面层4的外周面不涂敷催化层3，由此，可节省成本。
25.由此，本发明实施例的燃料电池膜电极结构包括一个本体1，与现有将技术相比避免了双层本体1贴合而产生的褶皱、气泡和翘曲等问题，本发明实施例的燃料电池膜电极结构还可对质子交换膜2进行保护，延长了质子交换膜2的使用寿命。
26.具体地，本发明实施例的燃料电池膜电极结构制造时先将胶面层4设在本体1上且沿槽口11的周向布置，再将涂敷有催化层3的质子交换膜2设在胶面层4背离本体1的一侧面上，最后再将第一扩散层51设在槽口11内，第二扩散层52设在涂敷有催化层3的质子交换膜2远离胶面层4的一侧。由此，本发明实施例的燃料电池膜电极结构制造时工序步骤少，操作简单，且本体1、质子交换膜2、催化层3、胶面层4、第一扩散层51和第二扩散层52均可实现批量化制备，生产节拍高效。
27.在一些实施例中，胶面层4的内边缘位于槽口11的壁面的内侧，胶面层4的外边缘位于槽口11的壁面的外侧且位于本体1的外边缘的内侧。
28.具体地，如图1所示，胶面层4的内边缘位于槽口11的壁面的内侧可避免质子交换膜2邻近本体1的侧面与本体1的侧面接触。胶面层4的外边缘位于槽口11的壁面的外侧和本体1的外边缘的内侧之间，加大了胶面层4邻近本体1的侧面与本体1的接触面积，使得胶面层4在本体1上安装牢固。
29.在一些实施例中，槽口11的壁面与胶面层4的外边缘在从槽口11的中心朝向槽口11的壁面的方向上的尺寸为4mm-5mm。
30.具体地，从槽口11的壁面朝向槽口11的中心的方向为向内，从槽口11的壁面朝向本体1的外边缘的方向为向外。槽口11的壁面与胶面层4的外边缘在从内向外的方向上的尺寸为4mm-5mm。
31.具体地，如图1所示，胶面层4邻近本体1的侧面与本体1接触的尺寸从内向外为4mm-5mm，由此，不仅加大了胶面层4邻近本体1的侧面与本体1的接触面积，使的胶面层4与本体1连接的更牢固，还保证了胶面层4围绕槽口11的周向布置时的精确性。
32.在一些实施例中，槽口11的壁面与胶面层4的内边缘在从槽口11的中心朝向槽口11的避免的方向上的尺寸为1.5mm-2mm。
33.具体地，如图1所示，槽口11的壁面与胶面层4的内边缘在从内向外的方向上的尺寸为1.5mm-2mm。胶面层4的内边缘向内凸出槽口11的壁面的尺寸小于胶面层4的外边缘向外凸出槽口11的壁面的尺寸，使得胶面层4在本体1上安装更牢固。
34.具体地，胶面层4的内边缘向内凸出槽口11的壁面的尺寸为1.5mm-2mm，不仅可将质子交换膜2与本体1间隔开，还不影响第一扩散层51和质子交换膜2邻近本体1的侧面之间的接触，从而不影响本发明实施例的燃料电池膜电极结构的性能。
35.具体地，胶面层4的内边缘向内凸出槽口11的壁面的尺寸为1.5mm-2mm，胶面层4的外边缘向外凸出槽口11的壁面的尺寸为4mm-5mm，由此，更加提高了胶面层4在本体1上设置时的精确度。
36.在一些实施例中，第一扩散层51邻近质子交换膜2的一侧的至少部分与胶面层4邻近本体1的一侧的至少部分相连。
37.具体地，如图1所示，第一扩散层51邻近质子交换膜2的一侧外周面与胶面层4向内凸出槽口11的壁面且邻近本体1的一侧面相连，由此，胶面层4不仅可以使质子交换膜2与本体1间隔开，胶面层4与第一扩散层51相连，还提高了第一扩散层51和第二扩散层52对质子交换膜2的密封性。
38.在一些实施例中，质子交换膜2的外边缘位于槽口11的壁面的外侧。
39.具体地，如图1所示，质子交换膜2的外边缘向外凸出槽口11的壁面，增大了质子交换膜2与胶面层4的接触面积，使得质子交换膜2与胶面层4在静电作用下吸附的更牢固。
40.在一些实施例中，质子交换膜2的外边缘位于胶面层4的内边缘的外侧且位于胶面层4的外边缘的内侧。
41.具体地，质子交换膜2的外边缘位于胶面层4的内边缘的外侧和胶面层4的外边缘的内侧，不仅保证了质子交换膜2与胶面层4的接触面积，还避免了质子交换膜2与本体1接触。
42.在一些实施例中，第二扩散层52的外边缘位于质子交换膜2的外边缘的外侧。
43.具体地，第二扩散层52的外边缘向外伸出质子交换膜2的外边缘，使得第二扩散层52的外边缘可与胶面层4向外伸出质子交换膜2且邻近质子交换膜2的一侧相连，由此，更加地提高了第一扩散层51和第二扩散层52对质子交换膜2的密封性。
44.在一些实施例中，第二扩散层52邻近质子交换膜2的一侧的至少部分与胶面层4远离本体1的一侧相连。
45.具体地，如图1所示，第二扩散层52的外周缘向外伸出质子交换膜2，第二扩散层52的外周缘邻近质子交换膜2的一侧与胶面层4向外伸出质子交换膜2且远离本体1的一侧相连，进一步地提高了第一扩散层51和第二扩散层52对质子交换膜2的密封性，避免了本体1与质子交换膜2直接接触。
46.在一些实施例中，第一扩散层51的外边缘位于槽口11的壁面的内侧，第二扩散层52的外边缘位于槽口11的壁面的外侧且位于本体1的外边缘的内侧。
47.具体地，如图1所示，第一扩散层51的外边缘位于槽口11的壁面的内侧，使得第一扩散层51可完整地内嵌于槽口11内。第二扩散层52的外边缘位于槽口11的壁面的外侧和本体1的外边缘的内侧，且第二扩散层52的外边缘与胶面层4的外边缘平齐，使得第二扩散层52与胶面层4的接触面积更大，进一步地提高了第二扩散层52和胶面层4之间的连接和第一扩散层51和第二扩散层52对质子交换膜2的密封性。
48.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。
49.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。
50.在本发明中，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，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，也可以是电连接或彼此可通讯；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，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
51.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
52.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
53.尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。