膜电极组件和膜电极组件的装配方法与燃料电池模组与流程

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种膜电极组件和膜电极组件的装配方法与燃料电池模组。

背景技术：

膜电极组件是由两个极性不同的电极催化剂层以及电解质膜组成，具体地，氢气在阳极催化剂层附近发生催化反应产生氢离子和电子，氢离子通过质子交换膜传输到阴极，电子从外电路输送到阴极；氧气在阴极催化剂层附近发生催化反应与外电路来的电子结合产生氧离子，再与氢离子结合生成水。

与膜电极组件的其他部件相比，电解质膜非常薄，因此非常容易被刺穿。由于这个原因，在电池催化剂层上加了一个边缘保护元件，以保护电解质膜，并在电解质膜与电极催化剂层之间增加制造公差，以降低配合难度。边缘保护元件通常是由耐燃料电池电化学反应且不与电堆中其它材料相互作用的聚合物材料制成。

但是，在膜电极组件进行封装时，阳极催化剂层、阴极催化剂层与边缘保护元件之间的界面在大批量生产制造过程中，经常发现不完全对准。具体地，通常会发现阳极催化剂层、阴极催化剂层与边缘保护元件的基膜层之间存在一定的间隙，这使得电解质膜非常容易受到损伤或穿刺，从而导致膜电极组件无法正常工作。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种膜电极组件，以解决电解质膜容易被破坏或者穿刺的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明的膜电极组件包括：电解质膜、设置在所述电解质膜一侧上的第一催化剂层、设置在所述电解质膜另一侧上的第二催化剂层、设置在所述第一催化剂层上的第一气体扩散层、设置在所述第二催化剂层上的第二气体扩散层，以及边缘保护元件，所述电解质膜的两端向外伸出所述第一催化剂层的两端，所述边缘保护元件设置在所述电解质膜的两端，且所述第一气体扩散层、所述第二气体扩散层的两端端面均与对应的所述边缘保护元件接触，所述第一催化剂层和/或所述第二催化剂层的至少一端端面与对应的所述边缘保护元件之间具有间隙，所述间隙处设置有间隙补偿件。

根据本发明的一些实施例，所述边缘保护元件包括：基膜层和结合层，所述电解质膜的端部两侧均设置有所述基膜层，且每个所述基膜层与所述电解质膜之间均设置有所述结合层,所述第一气体扩散层、所述第二气体扩散层的两端端面均与对应的所述边缘保护元件的基膜层接触。

根据本发明的一些实施例，所述第一催化剂层的长度大于所述第二催化剂层的长度，所述第一催化剂层的两端端面与对应的所述边缘保护元件的基膜层接触，所述间隙补偿件设置在所述第二催化剂层与对应的所述边缘保护元件的基膜层之间。

根据本发明的一些实施例，所述间隙补偿件为粘性密封件。

具体地，每个所述基膜层的远离所述电解质膜的一侧设置有支撑框架。

具体地，边缘保护元件还包括：

进一步地，所述第一气体扩散层的远离所述第一催化剂层的一侧设置有第一极板，所述第一极板与所述第一气体扩散层之间形成第一气体流动通道；所述第二气体扩散层的远离所述第二催化剂层的一侧设置有第二极板，所述第二极板与所述第二气体扩散层之间形成第二气体流动通道。

根据本发明的一些实施例，所述第一催化剂层为阳极催化剂层，所述第二催化剂层为阴极催化剂层；或者，所述第一催化剂层为阴极催化剂层，所述第二催化剂层为阳极催化剂层。

相对于现有技术，本发明所述的膜电极组件具有以下优势：

通过在第二催化剂层与边缘保护元件之间设置间隙补偿件，可以将第二催化剂层与边缘保护元件之间的间隙进行填充，从而可以保证电解质膜在生产过程中的安全，防止在膜电极组件进行封装时，第一催化剂层以及第二催化剂层对电解质膜产生挤压，导致电解质膜发生损伤或穿刺，可以保证膜电极组件的装配的成品率高。

本发明的另一个目的在于提出一种膜电极组件的装配方法，可用于装配上述的膜电极组件，所述装配方法包括：

将第一催化剂层涂在电解质膜的一侧，将第二催化剂层涂在电解质膜的另一侧；

在所述电解质膜的两端设置边缘保护元件，使所述第一催化剂层的两端端面均与对应的所述边缘保护元件接触，所述第二催化剂层的至少一端端面与对应的所述边缘保护元件间隔开；

将第一气体扩散层置于所述第一催化剂层的远离所述电解质膜的一侧，并使所述第一气体扩散层的两端端面均与对应的所述边缘保护元件接触；

在所述第二催化剂层的端面与所述边缘保护元件的间隔处设置间隙补偿件；

将第二气体扩散层置于所述第二催化剂层的远离所述电解质膜的一侧，并使所述第二气体扩散层的两端端面均与对应的所述边缘保护元件接触。

相对于现有技术，本发明所述的膜电极组件的装配方法具有以下优势：

本发明所述的膜电极组件的装配方法，通过该方法装配的膜电极组件，膜电极组件的结构稳定，电解质膜的安全性高，可以保证膜电极组件的装配的成品率高。

本发明的第三个目的在于提出一种燃料电池模组，包括上述的膜电极组件。

根据本发明的一些实施例，所述膜电极组件为多个，且相邻两个所述膜电极组件之间设置有冷却通道。

相对于现有技术，本发明所述的燃料电池模组具有以下优势：

本发明所述的燃料电池模组，该燃料电池模组中膜电极组件进一步地提高了制造公差，可以防止多孔的催化剂层诱导气体交叉，有效防止膜电极组件发生短路。间隙补偿件为粘性密封件，可以降低装配膜电极组件的难度。且相邻膜电极组件之间设有冷却通道，可以防止膜电极组件之间由于催化作用而产生的热量过多，导致膜电极组件的温度过大，而烧坏膜电极组件，保证燃料电池模组的工作可靠性高。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的膜电极组件的左半部分示意图；

图2是图1中a处局部放大示意图；

图3是电解质膜、第一催化剂层、第二催化剂层与边缘保护元件的装配示意图；

图4是燃料电池模组的示意图；

图5是膜电极组件的装配方法流程图。

附图标记说明：

膜电极组件10、电解质膜100、第一催化剂层131、第二催化剂层130、边缘保护元件15、第一边缘保护元件151、第二边缘保护元件152、基膜层11、第一基膜层112、第二基膜层113、结合层12、第一结合层110、第二结合层111、支撑框架13、第一支撑框架115、第二支撑框架114、间隙补偿件14、第一间隙补偿件120、第二间隙补偿件121、第一气体扩散层123、第二气体扩散层122、第一极板140、第一气体流动通道142、第二极板141、第二气体流动通道144、燃料电池模组20、冷却通道143。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考图1-图5并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1-图4所示，根据本发明实施例的膜电极组件10可以包括：电解质膜100、设置在电解质膜100一侧上的第一催化剂层131、设置在电解质膜100另一侧上的第二催化剂层130以及边缘保护元件15，换言之，电解质膜100设置在第一催化剂层131与第二催化剂层130之间，且电解质膜100具有质子输运和交换能力，第一催化剂层131与第二催化剂层130为不同极性的催化剂层，例如，当第一催化剂层131为阳极催化剂层时，第二催化剂层130为阴极催化剂层；对应地，当第一催化剂层131为阴极催化剂层时，第二催化剂层130为阳极催化剂层。

在具体实施例中，膜电极组件10中充斥有气态或液态燃料，氢气在阳极催化剂层附近发生催化反应产生氢离子和电子，氢离子通过质子交换膜传输到阴极，电子从外电路输送到阴极；氧气在阴极催化剂层附近发生催化反应与外电路来的电子结合产生氧离子，再与氢离子结合生成水。

需要说明的是，电解质膜100仅可以对质子以及离子进行传递，无法对电子进行传递，因此，当阴极催化剂层上反应产生电后，电子不会通过电解质膜100分散到阳极催化剂层上，而是通过导线将电传递到膜电极组件10外部，从而进行发电。

在图1-图4所示的实施例中，第一催化剂层131位于电解质膜100的上方，第二催化剂层130位于电解质膜100的下方，边缘保护元件15位于第一催化剂层131以及第二催化剂层130的左右两侧，边缘保护元件15可以对电解质膜100进行保护。

需说明的是，图1-图4所示的实施例中的膜电极组件10为上下叠加进行装配，实际应用中也有可能是左右进行装配，上下及左右的概念不应构成对本发明的限制。

进一步地，如图1-图4所示，第一催化剂层131的长度大于第二催化剂层130的长度，电解质膜100的两端向外伸出第一催化剂层131的两端，从而可以进一步地提高了制造公差，并且较短的第二催化剂层130还有利于降低与质量运输等相关的过电位。

进一步地，如图1所示，边缘保护元件15设置在电解质膜100的两端，也就是说，在电解质膜100的左右端的上下侧上均设有边缘保护元件15，具体地，在电解质膜100每一端的边缘保护元件15均包括第一边缘保护元件151以及第二边缘保护元件152，且第一边缘保护元件151位于电解质膜100左侧的上下两侧，第二边缘保护元件152位于电解质膜100右侧的上下两侧，可防止电解质膜100缩短。

第一催化剂层131的两端端面均与对应的边缘保护元件15接触，即第一催化剂层131的左端端面与左端的边缘保护元件15接触，第一催化剂层131的右端端面均与右端的边缘保护元件15接触。第二催化剂层130的至少一端端面与对应的边缘保护元件15间隔开，也就是说，第二催化剂层130可以仅左端与左端的边缘保护元件15之间间隔开，也可以仅在第二催化剂层130的右端与右端的边缘保护元件15之间间隔开，当然，也可以在第二催化剂层130的左右两端与左右两端的边缘保护元件15均被间隔开，且第二催化剂层130的端面与边缘保护元件15的间隔处设置有间隙补偿件14，间隙补偿件14可以将第二催化剂层130的端面与边缘保护元件15之间的间隙进行填充。

在具体实施例中，由于第一催化剂层131与第二催化剂层130以及电解质膜100之间存有公差，因此，在第二催化剂层130的端面与边缘保护元件15之间存有间隙，通过设置间隙补偿件14，可以将第二催化剂层130与边缘保护元件15之间的间隙进行填充，从而可以解决由于在电解质膜100与电极催化剂层之间存有制造公差，导致膜电极组件10在大批量生产制造过程中电解质膜100易发生损伤或穿刺的问题，具体而言，对膜电极组件10进行封装时，经常发现第二催化剂层130与边缘保护元件15之间不完全对准，导致第一催化剂层131以及第二催化剂层130对电解质膜100产生挤压，而导致电解质膜100发生损伤或穿刺，通过设置间隙补偿件14，保证了电解质膜100在生产过程中的安全，从而保证膜电极组件10的生产成品率高。

具体地，如图3所示，间隙补偿件14可以包括第一间隙补偿件120与第二间隙补偿件121，第一间隙补偿件120适于对第二催化剂层130与左侧的第二边缘保护元件152之间的间隙进行填充，第二间隙补偿件121适于对第二催化剂层130与右侧的第二边缘保护元件152之间的间隙进行填充，从而保证第二催化剂层130与边缘保护元件15之间无间隙。

具体地，间隙补偿件14由环氧树脂、聚酰亚胺、硅树脂等热固性聚合物组成，可以保证间隙补偿件14不会与燃料电池发生电化学反应，并且不与电堆中其它材料产生相互作用。

本发明的膜电极组件10，通过在第二催化剂层130与边缘保护元件15之间设置间隙补偿件14，可以将第二催化剂层130与边缘保护元件15之间的间隙进行填充，从而可以保证电解质膜100在生产过程中的安全，防止在膜电极组件10进行封装时，第一催化剂层131以及第二催化剂层130对电解质膜100产生挤压，导致电解质膜100发生损伤或穿刺，可以保证膜电极组件10的装配的成品率高。

进一步地，如图1-图4所示，边缘保护元件15可以包括：基膜层11和结合层12，基膜层11与结合层12固定连接，电解质膜100的端部两侧均设置有基膜层11，且每个基膜层11与电解质膜100之间均设置有结合层12,也就是说，基膜层11相较于结合层12位于远离电解质膜100的方向。

进一步地，第一催化剂层131的两端端面与对应的边缘保护元件15的基膜层11接触，具体地，如图1-图2所示，基膜层11包括第一基膜层112以及第二基膜层113，结合层12包括第一结合层110以及第二结合层111，且第一基膜层112与第一结合层110固定连接位于电解质膜100左右两端的上侧，第二基膜层113与第二结合层111固定连接位于电解质膜100左右两端的下侧。因此，第一催化剂层131的端面可以与第一基膜层112接触。

进一步地，如图1-图4所示，间隙补偿件14设置在第二催化剂层130与对应的边缘保护元件15的基膜层11之间。即间隙补偿件14位于第二催化剂与第二基膜层113之前的间隙中。也就是说，第二催化剂层130与边缘保护元件15之间的间隙为第二催化剂层130与第二基膜层113之间的间隙，间隙补偿件14可以对第二催化剂层130与第二基膜层113之前的间隙进行填充，从而保证第二催化剂层130与基膜层11之间无间隙，从而保证电解质膜100的安全。

具体地，基膜层11可以由聚酯、氟聚合物或者聚碳酸酯薄膜型高分子材料装配而成。结合层12可以由改性聚醚、聚酯、聚酰胺或者聚乙烯组成的热塑性材料装配而成。

进一步地，间隙补偿件14可以为粘性密封件，由于粘性密封件具有粘结性，可以保证第二催化剂层130可以较为容易地放置在膜电极组件10中，且不容易发生位移，可以降低组装膜电极组件10的难度。在具体实施例中，间隙补偿件14可以采用喷射工艺形成在第二催化剂层130与第二基膜层113之前的间隙内。

进一步地，如图1-图2所示，每个基膜层11的远离电解质膜100的一侧设置有支撑框架13。具体地，支撑框架13包括第一支撑框架115与第二支撑框架114，第一支撑框架115位于电解质膜100的左右两端的上方，第二支撑框架114位于电解质膜100的左右两端的下方。通过设置支撑框架13可以对电解质膜100、基膜层11与结合层12进行支撑。

具体地，边缘保护元件15还包括：设置在第一催化剂层131上的第一气体扩散层123以及设置在第二催化剂层130上的第二气体扩散层122，第一气体扩散层123、第二气体扩散层122的两端端面均与对应的边缘保护元件15的基膜层11接触。

可选地，间隙补偿件14的截面类似“l”形，具体地，间隙补偿件14的较长端适于对第二催化剂层130与基膜层11之间的间隙进行填充，间隙补偿件14的较短端还可以对第二催化剂层130和第二气体扩散层122之间的间隙进行填充，实现第二催化剂层130与第二气体扩散层122的间接接触，解决在组装膜电极组件10时，第二催化剂层130与第二气体扩散层122之间存在的公差，保证第二催化剂层130和第二气体扩散层122仍处于连通状态，从而保证第二催化剂层130和第二气体扩散层122之间的电子可以正常传递，同时，间隙补偿件14还可以对电解质膜100的左右两端进行支撑，从而保证电解质膜100不易损坏或穿刺。

进一步地，如图1、图4所示，第一气体扩散层123的远离第一催化剂层131的一侧设置有第一极板140，第一极板140与第一气体扩散层123之间形成第一气体流动通道142，保证第一催化剂层131上催化产生的气体从第一极板140与第一气体扩散层123之间进行流动；第二气体扩散层122的远离第二催化剂层130的一侧设置有第二极板141，第二极板141与第二气体扩散层122之间形成第二气体流动通道144，保证第二催化剂层130上催化产生的气体从第二极板141与第二气体扩散层122之间进行流动。通过设置第一气体流动通道142以及第二气体流动通道144，可以防止第一催化剂层131以及第二催化剂层130发生降解催化时，导致气体交叉的情况发生。

根据本发明的一些实施例，第一催化剂层131为阳极催化剂层，第二催化剂层130为阴极催化剂层；或者，第一催化剂层131为阴极催化剂层，第二催化剂层130为阳极催化剂层。

根据本发明另一方面实施例的一种膜电极组件10的装配方法，可用于装配上述的膜电极组件10，如图5所示，装配方法可以包括：

首先，将第一催化剂层131涂在电解质膜100的一侧，将第二催化剂层130涂在电解质膜100的另一侧；

其次，在电解质膜100的两端设置边缘保护元件15，使第一催化剂层131的两端端面均与对应的边缘保护元件15接触，第二催化剂层130的至少一端端面与对应的边缘保护元件15间隔开；

再将第一气体扩散层123置于第一催化剂层131的远离电解质膜100的一侧，并使第一气体扩散层123的两端端面均与对应的边缘保护元件15接触；

接着在第二催化剂层130的端面与边缘保护元件15的间隔处设置间隙补偿件14，对第一催化剂层131、第二催化剂层130以及电解质膜100之间的公差进行补偿；

最后将第二气体扩散层122置于第二催化剂层130的远离电解质膜100的一侧，并使第二气体扩散层122的两端端面均与对应的边缘保护元件15接触，从而完成膜电极组件10的装配。

通过该方法装配的膜电极组件10，膜电极组件10的结构稳定，电解质膜100的安全性高，可以保证膜电极组件10的装配的成品率高。

根据本发明第三方面实施例的燃料电池模组20，包括上述的膜电极组件10。

进一步地，膜电极组件10为多个，且相邻两个膜电极组件10之间设置有冷却通道143。如图4所示的实施例中，燃料电池模组20中的膜电极组件10的数量为两个，两个膜电极组件10之间可通过串联连接，且两个膜电极组件10之间设有冷却通道143，从而保证两个膜电极组件10中相靠近的一端便于散热，防止两个膜电极组件10由于催化作用而产生的热量过多，导致膜电极组件10的温度过大而烧坏膜电极组件10。

在未展示的实施例中，燃料电池模组20中的膜电极组件10的数量可以为三个或者五个。根据不同数量的膜电极组件10进行串联，可以形成具有不同电量的燃料电池模组20。

第一催化剂层131、第二催化剂层130微观结构本质上是多孔的，可以将燃料气体和电化学反应产生的水输送到催化剂层内。最后，在每个催化剂层附近放置额外的微孔层，即第一气体扩散层123、第二气体扩散层122。气体扩散层是导电的，有助于将在催化剂层中使用的燃料气体重新分配，可以防止催化剂层诱导气体交叉，还可以防止膜电极组件10发生短路。

在一些未展示的实施例中，第一气体扩散层123、第二气体扩散层122的长度相等，且第一气体扩散层123、第二气体扩散层122的长度均超过第一催化剂层131、第二催化剂层130，第一气体扩散层123的两端端面均与对应的边缘保护元件15接触，第二气体扩散层122的两端端面均与对应的边缘保护元件15接触。第一催化剂层131的至少一端端面与对应的边缘保护元件15具有间隙，第二催化剂层130的至少一端端面与对应的边缘保护元件15具有间隙，且第一催化剂层131的端面与边缘保护元件15的间隙处设置有间隙补偿件14，第二催化剂层130的端面与边缘保护元件15的间隙处设置有间隙补偿件14。此时，第一催化剂层131和第二催化剂层130的长度可以相等，也可以不相等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。