膜电极组件、燃料电池单元、燃料电池电堆的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别涉及膜电极组件、燃料电池单元、燃料电池电堆。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的清洁能源。它具有转化效率高、高功率密度、可低温运行和无污染等优点，在商用车、乘用车、轨道交通以及航空等领域都具有广泛的应用前景。膜电极是燃料电池发生电化学反应的场所，为反应气体、尾气和液态水的进出提供通道，主要由催化剂、质子交换膜、气体扩散层构成，为燃料电池的技术和成本中枢。
3.膜电极主要由阳极气体扩散层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层和阴极气体扩散层组成，其中由阳极催化剂层、质子交换膜和阴极催化剂层构成的三合一结构为催化剂涂布膜(ccm，catalyst coated membrane)。目前大多数的ccm都是通过超声喷涂、热压转印以及阴阳极直涂的方法制备得到的。然后将ccm与碳纸压合形成mea，最后将多片mea与带有特殊流道的石墨(金属)双极板压合组装形成燃料电池电堆。
4.而现有的燃料电池电堆存在如下技术问题：在组装成电堆的过程中，mea阴阳极催化层面积完全覆盖住石墨双极板的流道。mea的催化层仅有部分面积(对应石墨双极板中流道区域)会接触气体(空气、氢气)发生反应，有较高的催化反应效率，另外一部分催化层面积(对应石墨双极板中脊背区域)无法直接接触气体(空气、氢气)，导致气体传输浓度存在差异，部分区域催化剂利用率低，因而整体而言，降低了催化剂的使用率。


技术实现要素：

5.本实用新型的发明目的在于：针对现有技术存在的催化层催化反应效率低，燃料电池的成本较高的技术缺陷，提供一种膜电极组件、燃料电池单元、燃料电池电堆。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
7.包括阳极催化层和阴极催化层，所述阳极催化层和所述阴极催化层分别设置于质子交换膜的两侧膜面，所述阳极催化层包括阳极基底催化层和/或第一催化层，所述阴极催化层包括阴极基底催化层和第二催化层；
8.所述阳极基底催化层和所述阴极基底催化层分别设置于质子交换膜的两侧膜面，所述第一催化层设置于所述阳极基底催化层之上，所述第二催化层设置于所述阴极基底催化层之上；
9.所述第一催化层和第二催化层为图案催化层，所述图案催化层与极板上的气体流道图案相匹配。
10.本实用新型对现有燃料电池的结构研究中发现，膜电极组件的催化层上的贵金属催化剂的利用率很低，且在后续的组装成电堆的过程中，催化层中50％的面积是与双极板的脊背结构紧密贴合的，在空气、氢气进入气体流道后，与脊背结构贴合的催化层不能充分
的与气体进行接触、反应，导致该区域催化层的催化反应效率偏低，极大的浪费了资源有限的贵金属催化剂，因此提出对催化层进行结构的改进，设计出一种图案化的催化层结构，结合进入气体流道的气体扩散规律，合理的对催化层上各部分的贵金属催化剂含量进行分配，使该膜电极组件的结构更符合氢燃料电池的发生机制，进一步提高了催化剂中贵金属的利用率，降低了燃料电池的生产成本。
11.作为本实用新型的优选方案，在所述质子交换膜的两侧膜面上，分别设有催化剂有效面积区域，所述阳极基底催化层和所述阴极基底催化层在所述有效面积区域上均为全覆盖铺设。所述阳极基底催化层和所述阴极催化层按照阴阳极催化剂的添加量具有不同的厚度，进一步优选的，阳极催化层中，贵金属催化剂的含量范围为0.05
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0.1mg/cm2，阳极催化层的厚度范围为2
‑
8μm；阴极催化层中，贵金属催化剂的含量范围为0.15
‑
0.4mg/cm2，阴极催化层厚度范围为5
‑
30μm。
12.根据气体在极板的流道中的流动以及扩散的规律，对基底催化层和图案催化层之间的厚度比例进行调整，能进一步的提高催化剂的利用率。
13.作为本实用新型的优选方案，所述图案催化层在所述阳极基底催化层或所述阴极基底催化层上呈蛇形结构排布；所述图案催化层的蛇形结构部分对应所述有效面积的覆盖区域，蛇形的外凸结构与所述极板的内凹的流道位置相匹配。根据极板上流道的形状，进行图案催化层结构的设计，使得有效面积区域中，部分区域的催化层仅包括基底催化层，而极板的流道正下方的区域为包含了图案催化层的区域，通过对催化层上的催化剂分布进行了调整，能够降低催化剂的用量或提高催化剂与气体之间的反应条件，使进入流道的气体能够与催化剂充分的反应。提高电池中贵金属的利用率。
14.图案催化层在整个催化剂有效覆盖区域上，形成规则的蛇形图案。该图案化催化层可以利用具有石墨双极板流道图案的印版通过丝网印刷得到，或者，利用具有石墨双极板流道图案的掩膜版通过超声喷涂、涂布的方式形成。
15.一种燃料电池单元，包括上述的膜电极组件，还包括气体扩散层，所述气体扩散层分别设置于阳极催化层和阴极催化层上，设置于阳极催化层一侧的为阳极气体扩散层，设置于阴极催化层一侧的为阴极气体扩散层。所述气体扩散层为碳纸、碳布等具有疏水微孔层的材质。
16.作为本实用新型的优选方案，还包括支撑框架，所述支撑框架用于所述质子交换膜的支撑和密封。
17.一种燃料电池电堆，所述燃料电池电堆包括多个上述的燃料电池单元，多个所述燃料电池单元电路串联连接。
18.作为本实用新型的优选方案，多个所述燃料电池单元之间设置有双极板，所述双极板包括双极板阴极侧和双极板阳极侧，所述双极板设置于所述气体扩散层上，阳极气体扩散层与所述双极板阳极侧相接，阴极气体扩散层与所述双极板阴极侧相接。
19.作为本实用新型的优选方案，所述双极板阳极侧和所述双极板阴极侧上均设置有至少一条流道，所述流道的图案与所述第一催化层或第二催化层的图案相匹配。
20.作为本实用新型的优选方案，所述双极板阳极侧或双极板阴极侧上分别设置至少两条流道，相邻所述流道之间相互平行设置且相互隔离。
21.作为本实用新型的优选方案，所述图案催化层上，外凸的条形结构催化剂宽度小
于或等于所述双极板上对应的流道的宽度。
22.综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
23.本实用新型通过优化催化层的结构，将其设置成包括基底催化层和图案化催化层的双层结构，基底催化层满足气体进入流道后通过扩散进入催化层时能够进行反应，图案催化层满足气体沿着流道的方向流动时与流道正投影方向上的催化层进行充分的反应。通过合理的设计催化层，既降低了催化剂的使用量，又提高了催化剂的有效利用率。
附图说明
24.图1是本实用新型的膜电极组件的结构示意图；
25.图2是实施例2的燃料电池单元的结构示意图；
26.图3是实施例3的燃料电池单元的结构示意图；
27.图4是本实用新型的催化层的结构示意图；
28.图5是本实用新型的催化层的另一种结构示意图；
29.图6是本实用新型的燃料电池单元单侧剖视结构示意图；
30.图7是本实用新型的燃料电池电堆的结构示意图；
31.图8为实施例2中双极板的水平剖切示意图；
32.图9为实施例3中双极板的水平剖切示意图；
33.图中标记：1
‑
质子交换膜，11
‑
有效面积区域，2
‑
阳极催化层，21
‑
阳极基底催化层，22
‑
第一催化层，3
‑
阴极催化层，31
‑
阴极基底催化层，32
‑
第二催化层，4
‑
图案催化层，6
‑
气体扩散层，61
‑
阴极气体扩散层，62
‑
阳极气体扩散层，7
‑
双极板，71
‑
双极板阳极侧，72
‑
双极板阴极侧，8
‑
气体流道，9
‑
燃料电池电堆。
具体实施方式
34.下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
35.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
36.实施例1
37.一种膜电极组件，如图1所示，包括阳极催化层2和阴极催化层3，所述阳极催化层2和所述阴极催化层3分别设置于质子交换膜1的两侧膜面；所述阳极催化层2包括阳极基底催化层21和第一催化层22，所述阴极催化层3包括阴极基底催化层31和第二催化层32；所述阳极基底催化层21和所述阴极基底催化层31分别设置于质子交换膜1的两侧膜面，所述第一催化层22设置于所述阳极基底催化层21之上，所述第二催化层32设置于所述阴极基底催化层31之上；
38.在所述质子交换膜1的两侧膜面上，分别设有催化剂的有效面积区域11，所述阳极基底催化层21和所述阴极基底催化层31在所述有效面积区域11上均为全覆盖铺设。
39.所述第一催化层22和所述第二催化层32为图案催化层4，所述图案催化层4与石墨双极板上的气体流道8的图案相匹配。具体的，如图4
‑
5所示，所述图案催化层4在所述阳极基底催化层21或所述阴极基底催化层31上呈蛇形结构排布；所述图案催化层的蛇形结构部
分对应所述有效面积区域11的覆盖区域，蛇形结构的外凸结构与所述极板的内凹的流道位置相匹配。如图6所示，根据极板上气体流道8的形状，进行图案催化层4结构的设计，使得有效面积区域11中，部分区域上覆盖的催化层仅包括基底催化层，部分区域还包含了图案催化层4，通过对催化层上的催化剂分布进行了调整，能够降低催化剂的用量或提高催化剂与气体之间的反应条件，使进入气体流道8的气体能够与催化剂充分的反应。
40.实施例2
41.本实施例是一种燃料电池单元，如图2所示，包括实施例1的膜电极组件，还包括气体扩散层6，所述气体扩散层6分别设置于阳极催化层2和阴极催化层3上。气体扩散层6包括阳极气体扩散层61和阴极气体扩散层62，所述气体扩散层6为碳纸材质。进一步的，还包括支撑框架，所述支撑框架用于所述质子交换膜1和所述气体扩散层6的固定。
42.实施例3
43.本实施例与所述实施例2的燃料电池单元相同，其区别仅在于，燃料电池单元的阳极催化层2仅包括阳极基底催化层21，不包括第一催化层22，如图3所示。
44.实施例4
45.一种燃料电池电堆9，如图7所示，所述燃料电池电堆9包括实施例1的燃料电池单元，多个所述燃料电池单元电路串联连接。多个所述燃料电池单元之间设置有双极板7，所述双极板7的一侧为双极板阳极侧71，另一侧为双极板阴极侧72，所述双极板7设置于所述气体扩散层6上，阳极气体扩散层62与所述双极板阳极侧71相接，阴极气体扩散层61与所述双极板阴极侧72相接。所述双极板7为石墨双极板。图案催化层4与双极板7的位置关系如图6所示，所述双极板阳极侧71和所述双极板阴极侧72上均设置有至少一条气体流道8，所述气体流道8的图案与所述第一催化层22或第二催化层32的图案相匹配。如图8
‑
9所示，分别为双流道、单流道的结构示意图，所述双极板阳极侧71或双极板阴极侧72上包括两条气体流道8，两条所述气体流道8之间相互平行设置且相互隔离。进一步的，所述图案催化层4上，外凸的条形结构催化剂宽度小于或等于所述双极板上对应的气体流道8的宽度。
46.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。