燃料电池的膜电极组件及其膜组件的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池的膜电极组件及其膜组件。


背景技术：

2.燃料电池是一种将燃料(氢气)和氧化剂(氧气)中的化学能通过电化学反应转化成电能的发电装置。由于其不受“卡诺循环”的限制，因此能量转换效率要显著高出普通热机。除此之外，燃料电池还具有无污染、噪声低、可靠性高等优点。
3.膜电极组件(mea,membrane electrode assembly)是燃料电池的核心部件，其被设置于所述燃料电池的阴极板和阳极板之间，其中所述膜电极组件通常包括阴极气体扩散层、阳极气体扩散层、膜边框(阴极边框和/或阳极边框)和催化剂涂层膜(ccm,catalyst coated membrane)，其中所述催化剂涂层膜包括质子交换膜(pem,proton exchange membrane)和分别形成在所述质子交换膜两侧的阴极催化剂层和阳极催化剂层。氧气(或空气)能够通过所述阴极气体扩散层扩散至所述催化剂涂层膜的阴极侧，相应地，氢气能够通过所述阳极气体扩散层扩散至所述催化剂涂层膜的阳极侧，从而在催化剂的作用下进行电化学反应，其中氢气在阳极侧的反应为2h2→
4h
﹢
+4e
﹣
，氧气在阴极侧的反应为o2+4e
﹣
+4h
﹢
→
2h2o，其中氢质子能够穿过质子交换膜到达阴极侧，电子通过外电路流向阴极侧产生电流。
4.在传统的双边框(同时包括阴极边框和阳极边框)膜电极组件中，所述阴极边框和所述阳极边框的大小和形状均相同，并且所述阴极边框和所述阳极边框相互对齐地设置在所述催化剂涂层膜的两侧，如附图1所示，由于所述阴极边框的内边缘和所述阳极边框的内边缘相互正对地粘接于所述催化剂涂层膜同一区域相对应的两侧，当所述膜电极组件被夹设在阴极板和阳极板之间受压时，所述催化剂涂层膜存在附图1中指示的应力集中区域，其强度相对薄弱，容易因流体的冲击而损坏。


技术实现要素：

5.本实用新型的主要优势在于提供一种燃料电池的膜电极组件，其包括非对称的阴极边框和阳极边框，其中所述阴极边框的内边缘被粘接于所述膜电极组件的催化剂涂层膜的第一外周部，所述阳极边框的内边缘被粘接于所述膜电极组件的催化剂涂层膜的第二外周部，从而使所述阴极边框的内边缘和所述阳极边框的内边缘相互错开，解决了因两个边框的内边缘相互对齐而引起的应力集中问题。
6.本实用新型的另一优势在于提供一种燃料电池的膜电极组件，其中涂布于所述催化剂涂层膜的所述第一外周部的阳极催化剂能够暴露在富含氢气的环境中，防止涂布于所述第一外周部的所述阳极催化剂因缺少氢气进行反应而发生碳腐蚀(碳载体被腐蚀)。换句话说，所述阳极边框仅将涂布于所述催化剂涂层膜的所述第二外周部的阳极催化剂覆盖，而并未覆盖涂布于所述催化剂涂层膜的所述第一外周部的阳极催化剂。
7.本实用新型的另一优势在于提供一种燃料电池的膜电极组件的膜组件，其包括所
述阴极边框、所述阳极边框和所述催化剂涂层膜，从而在解决所述应力集中的技术问题的同时，还能避免涂布于所述催化剂涂层膜的所述第一外周部的所述阳极催化剂因缺少氢气进行反应而发生碳腐蚀(碳载体被腐蚀)。
8.本实用新型的其它目的和特点通过下述的详细说明得以充分体现并可通过具体实施方式中的手段和装置的组合得以实现。
9.相应地，依本实用新型实施例，具有至少一个前述优势的本实用新型燃料电池的膜电极组件包括：
10.阴极气体扩散层；
11.阳极气体扩散层；和
12.膜组件，其中所述膜组件被设置在所述阴极气体扩散层和所述阳极气体扩散层之间，所述阴极气体扩散层被设置在所述膜组件的阴极侧，所述阳极气体扩散层被设置在所述膜组件的阳极侧，其中所述膜组件包括阴极边框、阳极边框和催化剂涂层膜，其中所述催化剂涂层膜被设置在所述阴极边框和所述阳极边框之间，所述阴极边框被设置在所述催化剂涂层膜的阴极侧，所述阳极边框被设置在所述催化剂涂层膜的阳极侧，其中所述催化剂涂层膜包括阴极催化剂层、阳极催化剂层和质子交换膜，其中所述阴极催化剂层形成在所述质子交换膜的阴极侧，所述阳极催化剂层形成在所述质子交换膜的阳极侧，其中所述阴极边框的内边缘被粘接于所述催化剂涂层膜的第一外周部，所述阳极边框的内边缘被粘接于所述催化剂涂层膜的第二外周部，所述阴极边框的外边缘粘接于所述阳极边框的外边缘，且所述阴极边框的所述内边缘与所述催化剂涂层膜的中心之间的距离小于所述阳极边框的所述内边缘与所述催化剂涂层膜的所述中心之间的距离。
13.根据本实用新型的另一方面，本实用新型还进一步提供一种燃料电池的膜电极组件的膜组件，其包括：
14.阴极边框；
15.阳极边框；和
16.催化剂涂层膜，其中所述催化剂涂层膜被设置在所述阴极边框和所述阳极边框之间，所述阴极边框被设置在所述催化剂涂层膜的阴极侧，所述阳极边框被设置在所述催化剂涂层膜的阳极侧，其中所述催化剂涂层膜包括阴极催化剂层、阳极催化剂层和质子交换膜，其中所述阴极催化剂层形成在所述质子交换膜的阴极侧，所述阳极催化剂层形成在所述质子交换膜的阳极侧，其中所述阴极边框的内边缘被粘接于所述催化剂涂层膜的第一外周部，所述阳极边框的内边缘被粘接于所述催化剂涂层膜的第二外周部，所述阴极边框的外边缘粘接于所述阳极边框的外边缘，且所述阴极边框的所述内边缘与所述催化剂涂层膜的中心之间的距离小于所述阳极边框的所述内边缘与所述催化剂涂层膜的所述中心之间的距离。
17.特别地，所述阴极边框的第一穿透孔的尺寸小于所述阳极边框的第二穿透孔的尺寸。
18.特别地，所述阴极边框覆盖于所述催化剂涂层膜的阴极侧的面积大于所述阳极边框覆盖于所述催化剂涂层膜的阳极侧的面积。
19.特别地，所述阴极边框的所述第一穿透孔的中心正对所述催化剂涂层膜的中心。
20.特别地，所述阳极边框的所述第二穿透孔的中心正对所述催化剂涂层膜的中心。
21.结合下述描述和说明书附图，本实用新型上述的和其它的优势将得以充分体现。
22.本实用新型上述的和其它的优势和特点，通过下述对本实用新型的详细说明和说明书附图得以充分体现。
附图说明
23.图1是传统的双边框膜电极组件的结构示意图。
24.图2是根据本实用新型的燃料电池的膜电极组件的示意图。
25.图3是根据本实用新型的燃料电池的膜电极组件的膜组件的示意图。
26.图4是根据本实用新型的燃料电池的膜电极组件的膜组件的爆炸示意图。
27.图5是根据本实用新型的燃料电池的膜电极组件的膜组件的立体示意图。
28.图6是根据本实用新型的燃料电池的膜电极组件的阴极边框和阳极边框的相对位置示意图。
29.图7是本实用新型摒弃的一种膜组件的示意图。
具体实施方式
30.以下描述被提供以使本领域普通技术人员能够实现本实用新型。本领域普通技术人员可以想到其它显而易见的替换、修改和变形。因此，本实用新型所保护范围不应受到本文所描述的示例性的实施方式的限制。
31.本领域普通技术人员应该理解，除非本文中特地指出，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个。
32.本领域普通技术人员应该理解，除非本文中特地指出，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等所指代的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所涉及的装置或元件必须具有特定的方位或位置。因此，上述术语不应理解为对本实用新型的限制。
33.参考本实用新型说明书附图之图2至图6所示，依本实用新型实施例的燃料电池的膜电极组件的结构被阐明，其中，所述膜电极组件包括阴极气体扩散层1、阳极气体扩散层2和膜组件3，其中所述膜组件3被设置在所述阴极气体扩散层1和所述阳极气体扩散层2之间，所述阴极气体扩散层1被设置在所述膜组件3的阴极侧，所述阳极气体扩散层2被设置在所述膜组件3的阳极侧。氧气(或空气)能够通过所述阴极气体扩散层1扩散至所述膜组件3的阴极侧，相应地，氢气能够通过所述阳极气体扩散层2扩散至所述膜组件3的阳极侧，从而在催化剂的作用下进行电化学反应，其中氢气在阳极侧的反应为2h2→
4h
﹢
+4e
﹣
，氧气在阴极侧的反应为o2+4e
﹣
+4h
﹢
→
2h2o，从而将燃料的化学能转换成电能。
34.如附图之图2至图6所示，依本实用新型实施例的燃料电池的所述膜电极组件的所述膜组件3包括阴极边框31、阳极边框32和催化剂涂层膜(ccm)33，其中所述催化剂涂层膜33被设置在所述阴极边框31和所述阳极边框32之间，所述阴极边框31被设置在所述催化剂涂层膜33的阴极侧，所述阳极边框32被设置在所述催化剂涂层膜33的阳极侧，所述阴极边框31的外边缘312粘接于所述阳极边框32的外边缘322，其中所述催化剂涂层膜33包括阴极
催化剂层331、阳极催化剂层332和质子交换膜(pem)333，其中所述阴极催化剂层331形成在所述质子交换膜333的阴极侧，所述阳极催化剂层332形成在所述质子交换膜333的阳极侧，其中所述阴极催化剂层331由均匀地涂布于所述质子交换膜333的阴极侧的阴极催化剂形成，所述阳极催化剂层332由均匀地涂布于所述质子交换膜333的阳极侧的阳极催化剂形成。具体地，所述阴极边框31的内边缘311被粘接于所述催化剂涂层膜33的第一外周部3301，所述阳极边框32的内边缘321被粘接于所述催化剂涂层膜33的第二外周部3302，且所述阴极边框31的内边缘311和所述阳极边框32的内边缘321相互错开，从而解决了因两个边框的内边缘相互对齐而引起的应力集中问题。
35.为了确保所述阴极边框31的内边缘311和所述阳极边框32的内边缘321能够相互错开，所述阴极边框31与所述阳极边框32被设置为非对称的双边框，其中，所述阴极边框31的第一穿透孔310的尺寸小于所述阳极边框32的第二穿透孔320的尺寸，其中所述第一穿透孔310的尺寸由所述阴极边框31的内边缘311界定，所述第二穿透孔320的尺寸由所述阳极边框32的内边缘321界定。因此，当所述阴极边框31和所述阳极边框32分别粘接于所述催化剂涂层膜33的阴极侧和阳极侧时，所述阴极边框31覆盖于所述催化剂涂层膜33的阴极侧的面积大于所述阳极边框32覆盖于所述催化剂涂层膜33的阳极侧的面积，其中所述阴极边框31在阴极侧同时覆盖所述催化剂涂层膜33的所述第一外周部3301和所述第二外周部3302，所述阳极边框32在阳极侧仅覆盖所述催化剂涂层膜33的所述第二外周部3302，其中所述第二外周部3302自所述第一外周部3301向所述催化剂涂层膜33的外侧延伸。换句话说，所述阴极边框31的内边缘311比所述阳极边框32的内边缘321更靠近所述催化剂涂层膜33的中心330。优选地，所述阴极边框31的所述第一穿透孔310的中心正对所述催化剂涂层膜33的中心330，所述阳极边框32的所述第二穿透孔320的中心正对所述催化剂涂层膜33的中心330。更优选地，所述阴极边框31的内边缘311与所述催化剂涂层膜33的中心330之间的距离小于所述阳极边框32的内边缘321与所述催化剂涂层膜33的中心330之间的距离，从而使所述阴极边框31的内边缘311和所述阳极边框32的内边缘321相互错开，以解决因两个边框的内边缘相互对齐而引起的应力集中问题。特别值得一提的是，在解决上述因两个边框的内边缘相互对齐而引起的应力集中问题时，非对称双边框的设计存在两种相反的方案，一种方案为本实用新型所述阴极边框31和所述阳极边框32，另一种方案为附图6所示的阴极边框和阳极边框，本实用新型的创造性因摒弃了附图6所示的技术方案而避免了其引起的下述技术问题而得到进一步凸显。
36.附图7所示的技术方案可能导致的技术问题及其原理具体如下：在附图7所示的技术方案中，阳极边框在阳极侧同时覆盖催化剂涂层膜的第一外周部和第二外周部，阴极边框在阴极侧仅覆盖催化剂涂层膜的第二外周部，由于涂布于催化剂涂层膜的第一外周部的阴极催化剂未被阴极边框覆盖，其附近的氧气能够正常发生反应，反应式为o2+4e
﹣
+4h
﹢
→
2h2o，同时，由于涂布于催化剂涂层膜的第一外周部的阳极催化剂被阳极边框覆盖，其附近的氢气难以扩散进入参与反应，为了维持电荷平衡，涂布于催化剂涂层膜的第一外周部的阳极催化剂中的碳载体会被迫发生反应，反应式为c+2h2o
→
co2+4h
﹢
+4e
﹣
或c+h2o
→
co+2h
﹢
+2e
﹣
，从而导致涂布于催化剂涂层膜的第一外周部的阳极催化剂发生碳腐蚀，本领域技术人员可以理解的是，碳载体的腐蚀是不可逆的，其将进一步导致阳极催化剂层结构坍塌，pt颗粒脱落，电化学活性面积下降，而且碳腐蚀过程会释放大量的热量，形成局部的高温点，缩
短质子交换膜的寿命。
37.而在本实用新型的实施例中，如图2至图6所示，涂布于所述催化剂涂层膜33的所述第一外周部3301的阳极催化剂未被所述阳极边框32覆盖，从而使涂布于所述催化剂涂层膜33的所述第一外周部3301的阳极催化剂能够暴露在富含氢气的环境中，防止涂布于所述第一外周部3301的所述阳极催化剂因缺少氢气进行反应而发生碳腐蚀(碳载体被腐蚀)。因此，本实用新型在解决所述应力集中的技术问题的同时，还能避免涂布于所述催化剂涂层膜33的所述第一外周部3301的所述阳极催化剂因缺少氢气进行反应而发生碳腐蚀(碳载体被腐蚀)。
38.本领域普通技术人员应该理解，上述描述和附图所示的实施方式仅仅是为了示例性地解释本实用新型，而不是对本实用新型的限制。所有在本实用新型精神之内的等同实施、修改和改进均应包含在本实用新型的保护范围之内。