膜电极封装结构和燃料电池的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种膜电极封装结构和具有该膜电极封装结构的燃料电池。


背景技术：

2.相关技术中，膜电极的封装结构为三层结构的ccm(catalyst coated membrane催化剂涂层膜)，并用上下各一层的边框膜将ccm的边缘封装起来，将阴极气体扩散层和阳极扩散层通过粘接剂层粘接在边框膜边缘形成膜电极。但由于边框膜和气体扩散层存在一定厚度，气体扩散层与边框的粘接区域存在高度差，使得ccm与气体扩散层之间存在空隙，尤其在靠近气体扩散层与边框膜粘接区域形成气体缓存区，影响气体分布，容易造成膜电极密封失效。


技术实现要素：

3.本实用新型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，本实用新型的一个目的在于提出一种膜电极封装结构，通过将气体扩散层嵌入贯通槽内封装催化剂膜层，可以提高膜电极的密封性和功能性。
4.本实用新型的另一个目的在于提出一种燃料电池，包括前述的膜电极封装结构。
5.根据本实用新型实施例的膜电极封装结构，包括：第一边框和第二边框、催化剂膜层、第一气体扩散层和第二气体扩散层，所述第一边框和所述第二边框上分别具有所述第一贯通槽和所述第二贯通槽；所述催化剂膜层与所述第一贯通槽和所述第二贯通槽相对，且周缘夹设于所述第一边框和所述第二边框之间；所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层嵌入所述第一贯通槽和所述第二贯通槽，以封装所述催化剂膜层。
6.根据本实用新型实施例的膜电极封装结构，通过将气体扩散层与边框相连且嵌入贯通槽内封装催化剂膜层，可以提高膜电极的密封性和功能性。
7.另外，根据本实用新型上述实施例的膜电极封装结构还可以具有如下附加的技术特征：
8.在本实用新型的一些示例中，所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层嵌入所述第一贯通槽和所述第二贯通槽，且所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层的外表面不超过所述第一边框和所述第二边框的外表面。
9.在本实用新型的一些示例中，所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层与对应所述第一贯通槽和所述第二贯通槽的内周面之间具有粘接层。
10.在本实用新型的一些示例中，所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层覆盖所述催化剂膜层。
11.在本实用新型的一些示例中，所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层与所述催化剂膜层的活性区域大致相同。
12.在本实用新型的一些示例中，所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层与所述
催化剂膜层贴合。
13.在本实用新型的一些示例中，所述第一边框与所述催化剂膜层的上表面构造出第一贯通槽，所述第二边框与所述催化剂膜层的下表面构造出第二贯通槽，所述第一贯通槽和所述第二贯通槽相对。
14.在本实用新型的一些示例中，所述催化剂膜层的两端分别与所述第一边框和所述第二部分重叠，重叠区域的宽度在2至4毫米之间。
15.在本实用新型的一些示例中，所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层的厚度与所述第一边框和所述第二边框的厚度大致相同。
16.根据本实用新型实施例的燃料电池，包括前述的膜电极封装结构。
17.根据本实用新型实施例的燃料电池，通过应用前述的膜电极封装结构，可以提高电池应用时的功能性和稳定性。
附图说明
18.图1是本实用新型一些实施例中膜电极封装结构的结构示意图。
19.图2是本实用新型一些实施例中膜电极封装结构的封装流程示意图。
20.图3是相关技术中膜电极封装结构的结构示意图。
21.附图标记：
22.100、膜电极封装结构；11、第一边框；12、第二边框；101、第一贯通槽；102、第二贯通槽；20、催化剂膜层；31、第一气体扩散层；32、第二气体扩散层；40、粘接层；
23.10’边框膜；20’催化剂涂层膜；30’气体扩散层。
具体实施方式
24.如图3所示，相关技术中，膜电极封装方法为：首先在质子交换膜两面涂布或转印阴极催化剂层和阳极催化剂层，形成3层结构的ccm(催化剂涂层膜20’)，然后用上下各一层的边框膜10’将ccm的边缘封装起来，最后将阴极气体扩散层和阳极扩散层通过粘接剂层粘接在边框膜10’边缘形成膜电极。但由于边框膜10’和气体扩散层30’存在一定厚度，气体扩散层30’与边框的粘接区域存在高度差，使得ccm与气体扩散层30’之间存在空隙，尤其在靠近气体扩散层30’与边框膜10’粘接区域形成气体缓存区，影响气体分布，且此区域所受的应力更大，容易造成膜电极密封失效引起漏气。
25.在另一些相关技术中，也有采用四层边框封装结构来减弱膜电极密封失效的问题，但其存在工艺制程繁琐，材料使用较多的问题，不利于降低成本。
26.为此，本实用新型提出一种膜电极封装结构100，通过将气体扩散层嵌入贯通槽，使得气体扩散层与催化剂膜层20活性区域几乎相同大小，不再产生气体缓存区域，减弱了对气体分布的影响，可以减弱气体对膜电极的应力，提高了膜电极密封性，且结构简单，易于构造。
27.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
28.结合图1和图2，根据本实用新型实施例的膜电极封装结构100，包括：第一边框11、第二边框12、催化剂膜层20和第一气体扩散层31和第二气体扩散层32，具体地，第一边框11和第二边框12上分别具有第一贯通槽101和第二贯通槽10；催化剂膜层20与第一贯通槽101和第二贯通槽102相对，且周缘夹设于第一边框11和第二边框12之间；第一气体扩散层31和第二气体扩散层32可以嵌入第一贯通槽101和第二贯通槽102，以封装催化剂膜层20。这样，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32嵌入催化剂膜层20与第一边框11、第二边框12构造出的第一贯通槽101和第二贯通槽102，可以避免催化剂膜层20与第一气体扩散层31和第二气体扩散层32之间产生间隙，无法形成气体缓存区，进而避免膜电极漏气，且利于空间布置。此外，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32嵌入贯通槽内可以提高第一气体扩散层31和第二气体扩散层32与催化剂膜层20的接触效果，从而提高膜电极的功能性。
29.根据本实用新型实施例的膜电极封装结构100，通过将第一气体扩散层31和第二气体扩散层32与第一边框11和第二边框12相连且嵌入第一贯通槽101和第二贯通槽10内以封装催化剂膜层20，可以提高膜电极的密封性和功能性。
30.在实际应用时，可以先将催化剂膜层20周缘夹设于第一边框11和第二边框12内，将第一气体扩散层31和第二气体扩散层32嵌入或填充于第一边框11的第一贯通槽101和第二边框12的第二贯通槽102内，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32可以封装催化剂膜层20，从而形成膜电极封装结构100。在该结构中，第一边框11、第二边框12、催化剂膜层20和第一气体扩散层31和第二气体扩散层32之间配合紧密，可以减弱气体与膜电极的应力，提高了膜电极的密封性和功能性。
31.结合图2，在本实用新型的一些实施例中，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32嵌入贯通槽，可以提高第一气体扩散层31和第二气体扩散层32与催化剂膜层20的接触效果，且第一气体扩散层31和第二气体扩散层32的外表面不超过第一边框11和第二边框12的外表面，利于减小体积，节约材料，进而降低成本。
32.结合图1和图2，在本实用新型的一些实施例中，第一边框11和第二边框12与对应第一贯通槽101和第二贯通槽10的内周面之间具有粘接层40，易于操作且稳定性好，利于简化结构，从而提高模电极的结构紧凑性。例如，在第一边框11和第二边框12的内侧通过点胶的方式，将气体矿层嵌入贯通槽并与第一边框11和第二边框12固定连接，也就是说，粘接层40可以由胶黏剂等胶体构成。可选地，粘接层40可以选择亲和碳氢材料和碳纤维材料的材料等。
33.参见图2和图3，也就是说，本实用新型中，第一边框11和第二边框12与第一气体扩散层31和第二气体扩散层32可以在纵向或垂直于催化剂膜层20的延伸方向上通过粘接连接，相较于相关技术中气体扩散层30’在平行于催化剂涂层膜20’的方向上与边框膜10’连接，本实用新型的连接方式可以有效减小膜电极的体积。此外，本实用新型实施例的膜电极封装结构100可以节约边框的使用，从而节约材料；或者在边框结构不变的情况下，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32嵌入第一贯通槽101和第二贯通槽10内，可以提高气体扩散层的利用率，而相关技术中膜电极的气体扩散层30’的周缘与边框膜10’重叠，导致无法与催化剂涂层膜20’接触，造成浪费且不利于空间布置，不利于降低成本。
34.结合图1，在本实用新型的一些实施例中，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32覆盖催化剂膜层20，可以避免第一气体扩散层31和第二气体扩散层32与催化剂膜层20之间
产生间隙，起到减弱气体对膜电极的应力的效果，可以提高膜电极的密封性。
35.在本实用新型的一些实施例中，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32与催化剂膜层20的活性区域大致相同，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32可以与催化剂膜层20的活性区域几乎相同大小，不再产生气体缓存区域，减弱了对气体分布的影响，同时减弱了气体对膜电极的应力，提高了膜电极密封性；还可以使第一气体扩散层31和第二气体扩散层32可以充分与催化剂膜层20的活性区域接触，从而提高膜电极的工作性能。
36.在本实用新型的一些实施例中，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32与催化剂膜层20紧密贴合，可以提高第一气体扩散层31和第二气体扩散层32与催化剂膜层20配合的稳定性，利于减小气体对膜电极的应力。
37.结合图1和图2，在本实用新型的一些实施例中，第二边框12和第一边框11层叠布置，且催化剂膜层20的周缘夹设于第二边框12和第一边框11之间，利于简化结构，节约材料和简化工艺制程。其中，第一边框11和第二边框12之间可以粘接连接，或设置粘接层。
38.更为具体地，在本实用新型的一些实施例中，参见图2，第一边框11与催化剂膜层20的上表面构造出第一贯通槽101，第二边框12与催化剂膜层20的下表面构造出第二贯通槽102，第一边框11的第一贯通槽101和第二边框12的第二贯通槽102相对。封装催化剂膜层20上表面的第一气体扩散层31和第二气体扩散层32嵌入第一贯通槽101；封装催化剂膜层20下表面的第一气体扩散层31和第二气体扩散层32嵌入第二贯通槽102。由此，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32嵌入第一贯通槽101和第二贯通槽102可以封盖催化剂膜层20的上表面和下表面，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32可以分别与催化剂膜层20的上表面和下表面接触，可以提高第一气体扩散层31和第二气体扩散层32与催化剂膜层20的接触面积。进一步地，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32可以填补催化剂膜层20上表面与第一边框11构造出的间隙或贯通槽及催化剂膜层20下表面与第二边框12之间构造出的间隙或贯通槽，可以避免气体扩散成与催化剂膜层20之间产生气体缓存区，从而影响气体分布。
39.在本实用新型的一些实施例中，第一贯通槽101和第二贯通槽102的内侧壁设有粘接层40便于加工制造，且利于简化装配操作，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32可以直接与粘接层40粘接连接，从而提高第一气体扩散层31和第二气体扩散层32与第一贯通槽101和第二贯通槽102配合的稳定性，进而提高膜电极的稳定性。或者说，第一边框11和第二边框12的内侧壁设有粘接层40。
40.在本实用新型的一些实施例中，催化剂膜层20的两端分别与边框部分重叠，重叠区域的宽度在2至4毫米之间，可以在保证膜电极功能的前提下，提高膜电极的紧凑型，例如，催化剂膜层20的两端分别与边框重叠区域的宽度为2.5毫米或3毫米。当然，也可以根据实际应用情况，将催化剂膜层20的两端与边框重叠区域的宽度为1毫米或5毫米等，本实用新型不限于此。可以是第一边框11和第二边框12分别与催化剂膜层20粘接连接，或者是第一边框11和第二边框12与催化剂膜层20之间设有粘接层40等。
41.在本实用新型的一些实施例中，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32的厚度与边框的厚度大致相同，这样，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32可以尽可能嵌入贯通槽中，避免膜电极封装结构100内产生间隙，利于提高膜电极封装结构100的紧凑性，提高了空间利用率，且利于提高膜电极工作性能。
42.也可以是，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32背离催化剂膜层20的一侧与第一边框11和第二边框12的外边沿平齐，利于提高膜电极的密封性，且利于缩小膜电极的体积，利于空间布置。
43.根据本实用新型实施例的燃料电池，通过前述的膜电极封装结构100，可以提高膜电极的密封性及功能性，从而提高燃料电池应用时的稳定性及耐用性，利于提升燃料电池的工作性能。
44.下面参照附图描述本实用新型一些具体实施例的膜电极封装方法。
45.根据本实用新型一些实施例的膜电极封装结构100，包括边框、催化剂膜层20和第一气体扩散层31和第二气体扩散层32。如图1示出了膜电极封装结构100的结构示意图，具体地，边框包括第一边框11和第二边框12，第一边框11和第二边框12层叠布置，催化剂膜层20的周缘夹设于第一边框11和第二边框12之间。催化剂膜层20的上表面与第一边框11的上边沿之间具有高度差，催化剂膜层20的下表面与第二边框12的下边沿具有高度差，使得催化剂膜层20的上表面与第一边框11之间构造出第一贯通槽101，催化剂的下表面与第二边框12之间构造出第二贯通槽102。第一气体扩散层31和第二气体扩散层32嵌入第一贯通槽101和第二贯通槽102内，且第一气体扩散层31和第二气体扩散层32覆盖催化剂膜层20的上表面和下表面。更为具体地，第一贯通槽101和第二贯通槽102的内侧壁上设有粘接层40，第一气体扩散层31和第二气体扩散层32与粘接层40粘接连接，从而可以实现第一气体扩散层31和第二气体扩散层32与第一边框11和第二边框12的连接，进而封装催化剂膜层20，且第一气体扩散层31和第二气体扩散层32与催化剂膜层20之间没有间隙，利于提高膜电极密封效果。
46.如图2示出了膜电极封装结构100的封装流程示意图。
47.具体地，先将第一边框11和第二边框12通过热压或辊压的方式贴合催化剂膜层20，形成3层封装结构，催化剂膜层20在第一边框11和第二边框12的内侧分隔出两个贯通槽；进一步地，在3层封装结构的第一边框11和第二边框12的内侧进行点胶，形成粘接层40；最后将第一气体扩散层31和第二气体扩散层32嵌入第一贯通槽101和第二贯通槽102中，即嵌入3层封装结构中，热压完成贴合，形成膜电极。
48.根据本实用新型一些实施例的膜电极封装结构100，通过将第一气体扩散层31和第二气体扩散层32嵌入催化剂膜层20活性区域，使得第一气体扩散层31和第二气体扩散层32与催化剂膜层20活性区域几乎相同大小，不再产生气体缓存区域。减弱了对气体分布的影响，同时减弱了气体对膜电极的应力，提高了膜电极密封性。同时该封装结构可以节约材料，利于降低生产成本。
49.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
50.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。在本实用新型的描述中，“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。
51.在本实用新型中，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；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实用新型中的具体含义。
52.在本实用新型中，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。
53.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述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实用新型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。
54.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。