一种用于燃料电池的膜电极组件的制作方法

1.本发明一般涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种用于燃料电池的膜电极组件。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池是一种将化学能转化为电能的发电装置。燃料电池工作时，氢气进入阳极被氧化，氢离子通过质子交换膜至阴极与氧气发生化学反应，氢气氧化产生的电子通过外电路至阴极，形成电流。质子交换膜分离了氧化反应气流与还原反应气流，避免了直接混合发生的热化学反应。
3.质子交换膜燃料电池核心部件是膜电极，主要是由质子交换膜、催化剂和扩散层组成。在质子交换膜两侧均匀分散着引发电化学反应的催化剂(如碳载铂催化剂)，通过热压和质子交换膜粘合。扩散层贴合膜电极的两侧，通常由碳纸或碳布组成。
4.膜电极组件需要将催化剂涂层膜，阴极气体扩散层，阳极气体扩散层和两片绝缘边框这五个部分层叠组成，制作方法是将绝缘边框和阴极气体扩散层这五个部分层叠起来热压，但是层叠压合形成的膜电极组件容易使气体在气体扩散层的边缘位置渗漏，导致会有氢气分子直接渗透到空气侧。


技术实现要素：

5.鉴于上述的问题，本技术提供了一种用于燃料电池的膜电极组件，用以解决背景技术中提出的技术问题。
6.本发明提供一种用于燃料电池的膜电极组件，包括由多层层叠形成的板状本体及保护件，所述保护件包括围绕所述板状本体边缘设置的保护框，所述保护框与所述板状本体边缘形成有腔体，所述腔体内部填充有第一密封件，所述板状本体包括位于两板面的第一气体扩散层和第二气体扩散层，所述第一密封件至少部分包裹所述第一气体扩散层和第二气体扩散层的边缘。
7.进一步地，所述保护框包括围绕所述板状本体且与所述本体边缘间隙设置的第一侧壁及平行设置在所述第一侧壁两端的两个第二侧壁，所述第二侧壁靠近所述板状板体边缘的第一端部与所述板状本体的边缘之间设置有第一间隙，所述第一间隙内填充形成有第二密封件。
8.进一步地，所述第二侧壁的内侧面上设置有定位件，所述定位件具有与板状本体边缘定位接触的定位端。
9.进一步地，所述定位件为间隔设置在所述第二侧壁上的多个杆状结构，且多个所述杆状结构围绕所述板状本体间隔设置。
10.进一步地，所述第一密封件和所述第二密封件为一体设置。
11.进一步地，所述第一间隙靠近所述腔体的第一端的尺寸大于另一端的尺寸。
12.进一步地，所述第一间隙包括与所述腔体连通的第一段及连通所述第一段的第二段，所述第一段自靠近所述腔体一端至连接所述第二段的一端为逐渐缩小设置，所述第二
段为均匀设置。
13.进一步地，所述第二段的尺寸为d，其中4mm≥d≥1mm。
14.进一步地，所述第一密封件和所述第二密封件的材料包括苯型聚酰亚胺、联苯型聚酰亚胺中的一种。
15.进一步地，所述板状本体包括电解质膜，设置在所述电解质膜两个表面上的第一催化剂层和第二催化剂层，所述第一催化剂层远离所述电解质膜的一面设置有所述第一气体扩散层，所述第二催化剂层远离所述电解质膜的一面设置有所述第二气体扩散层。
16.进一步地，所述保护框包括与所述板状本体平行的第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面不高于所述板状本体的板面。
17.进一步地，所述保护框的第一表面或第二表面设置有连通所述腔体的第一通道和第二通道，所述第一通道和所述第二通道分设于所述保护框相对的两侧。
18.进一步地，所述电解质膜的边缘沿板面伸出所述第一催化剂层和第二催化剂层，所述第一密封件能够完全包裹所述电解质膜的边缘及露出所述第一催化剂层和第二催化剂层的部分。
19.进一步地，所述保护框为矩形框，包括拼接而成的四个子框架，每一个所述子框架上均设置有至少两个所述杆状结构。
20.进一步地，所述保护框的第一表面和第二表面上均设置有弹性限位件，所述弹性限位件设置有面向所述板状本体的定位部。
21.进一步地，本发明还提供了一种用于燃料电池的膜电极组件的形成方法，该方法包括以下步骤：s1、提供所述板状本体，将所述保护框围设在所述板状本体的边缘位置，形成所述腔体；s2、通过第一通道或第二通道向所腔体内部注入熔融态的密封体，使熔融态的密封体从另一通道流出，从而使融入态的密封体充满所述腔体；s3、待所述熔融态的密封体冷却凝固后形成所述保护件。
22.本发明提供了一种用于燃料电池的膜电极组件，通过在板状本体的边缘位置设置保护件，保护件包括刚性的保护框及在保护框内形成的第一密封件，通过这种设置方式可以在安装该膜电极组件时，通过在保护框对膜电极组件进行固定，刚性的保护框不易变形，从而可以对膜电极组件进行更好的支撑，第一密封件可以对板状本体的边缘进行包裹密封，可以避免气体渗漏。
23.其次，通过在保护框的第二侧壁和板状本体的边缘位置之间设置第一间隙，从而可以在第一间隙内形成第二密封件，通过第二密封件可以对板状本体的边缘位置进一步包裹密封，进一步避免气体的渗漏。
24.其次，通过将第一密封件和第二密封件为一体设置，从而可以提高保护件的整体强度，还可以起到更好的密封效果。
附图说明
25.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
26.图1为本发明提供的一种用于燃料电池的膜电极组件的截面结构示意图。
27.图2为本发明提供的一种用于燃料电池的膜电极组件的俯视结构示意图。
28.图3为本发明提供的一种用于燃料电池的膜电极组件中保护框的子框架的结构示意图。
29.图4为本发明提供的一种用于燃料电池的膜电极组件中保护框的子框架另一视角的结构示意图。
30.图5为本发明提供的一种用于燃料电池的膜电极组件中连接件的结构示意图。
31.图6为本发明提供的一种用于燃料电池的膜电极组件中a处的局部放大结构示意图。
32.图7为本发明提供的一种用于燃料电池的膜电极组件中b处的局部放大结构示意图。
33.图8为本发明提供的一种用于燃料电池的膜电极组件中c-c处的截面结构示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
36.本发明提供一种用于燃料电池的膜电极组件，参考图1-图8，作为一种具体的实施方式，其包括由多层层叠形成的板状本体1及保护件2，所述保护件2包括围绕所述板状本体1边缘设置的保护框21，所述保护框21与所述板状本体1边缘形成有腔体22，所述腔体内部填充有第一密封件23，所述板状本体1包括位于两板面的第一气体扩散层11和第二气体扩散层12，所述第一密封件23至少部分包裹所述第一气体扩散层11和第二气体扩散层12的边缘。
37.具体的，其中保护框可以选用耐受高温的塑料材质制成，其为刚性设置，从而可以提高保护件的耐冲击性，保证在气体压力过高时也不会变形，从而可以提高保护件的使用寿命。
38.进一步地，参考图1、图6，作为优选的实施方式，所述保护框22包括围绕所述板状本体1且与所述本体边缘间隙设置的第一侧壁221及平行设置在所述第一侧壁221两端的两个第二侧壁222，所述第二侧壁222靠近所述板状板体边缘的第一端部2220与所述板状本体1的边缘之间设置有第一间隙3，所述第一间隙内填充形成有第二密封件24。
39.具体的，通过第二密封件可以对板状本体的边缘位置进一步包裹密封，进一步避免气体的渗漏。
40.进一步地，参考图1、图6，作为具体的实施方式，所述第二侧壁的内侧面上设置有定位件2221，所述定位件具有与板状本体边缘定位接触的定位端。通过设置定位件，可以在板状本体的边缘位置形成保护框使通过定位件2221进行定位，从而可以在保护框和板状本体的边缘形成尺寸均匀的第一间隙，从而可以在第一间隙内可以形成尺寸均匀的第二密封件，保证第二密封件的密封效果，进一步提高对气体扩散层的包裹效果。
41.进一步地，参考图1-图4、图6，作为一种具体的实施方式，所述定位件为间隔设置在所述第二侧壁上的多个杆状结构，且多个所述杆状结构围绕所述板状本体间隔设置。具体的，板状本体为矩形结构，保护框为矩形框，其中矩形框的每一边均设置有至少两个所述杆状结构，且杆状结构关于每一边的中心对称设置，从而可以起到更好的定位效果。
42.进一步地，作为优选的实施方式，所述第一密封件23和所述第二密封件24为一体设置。通过将第一密封件和第二密封件为一体设置，从而可以提高保护件的整体强度，还可以起到更好的密封效果，其中第一密封件和第二密封件的形成方法在下文说明。
43.进一步地，参考图6，作为优选的实施方式，所述第一间隙3靠近所述腔体22的第一端的尺寸大于另一端的尺寸。通过这种设置方式，一方面可以在形成第二密封件时可以提高第二密封件和第一密封件之间的连接强度，另一方面可以在形成第二密封件和第一密封件时减小使熔融态的密封体从腔体22内流入第一间隙的阻力，更利于第二密封件的形。
44.进一步地，参考图6，作为具体的实施方式，所述第一间隙包括与所述腔体22连通的第一段及连通所述第一段的第二段，所述第一段自靠近所述腔体一端至连接所述第二段的一端为逐渐缩小设置，所述第二段为均匀设置。
45.进一步地，作为具体的实施方式，所述第二段的尺寸为d，其中4mm≥d≥1mm。其中优选尺寸为4mm、3mm、2mm和1mm。
46.进一步地，作为具体的实施方式，所述第一密封件23和所述第二密封件24的材料包括苯型聚酰亚胺、联苯型聚酰亚胺中的一种。
47.进一步地，参考图1，作为具体的实施方式，所述板状本体包括电解质膜10，设置在所述电解质膜1两个表面上的第一催化剂层13和第二催化剂层14，所述第一催化剂层13远离所述电解质膜10的一面设置有所述第一气体扩散层11，所述第二催化剂层14远离所述电解质膜10的一面设置有所述第二气体扩散层12。其中板状本体的各层之间的连接可以通过现有技术常用的热压的方法。
48.进一步地，作为优选的实施方式，所述保护框21包括与所述板状本体1平行的第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面不高于所述板状本体的板面。
49.进一步地，作为具体的实施方式，所述保护框21的第一表面或第二表面设置有连通所述腔体22的第一通道和第二通道，所述第一通道和所述第二通道分设于所述保护框相对的两侧。通过设置第一通道和第二通道可以通过第一通道和第二通道其中一个向腔体内注入熔融态的密封体，从另一个通道排出气体，从而使形成的第一密封件内部不会产生气泡，将第一通道和第二通道相对设置可以产生更好的效果。
50.进一步地，参考图1，作为优选的实施方式，所述电解质膜10的边缘沿板面伸出所述第一催化剂层13和第二催化剂层14，所述第一密封件23能够完全包裹所述电解质膜10的边缘及露出所述第一催化剂层13和第二催化剂层14的部分。通过这种设置方式，可以使第一密封件更好的包裹在电解质膜露出的部分，保证电解质膜与第一密封件的密封效果。
51.进一步地，作为具体的实施方式；所述保护框为矩形框，包括拼接而成的四部分，每一部分上均设置有至少两个所述杆状结构。
52.进一步地，所述保护框的第一表面和第二表面上均设置有弹性限位件210，所述弹性限位件210设置有面向所述板状本体1的定位部2100。
53.进一步地，保护框的两个第一表面和第二表面的定位部一一对应设置，且定位部
关于第一表面和第二表面的对称面对称设置，对应设置的两个定位部之间的距离为l1，板状本体的厚度为l2,每个所述弹性限位件的长度为l3，弹性系数为k，可理解的是，当弹性限位件的弹力足够大时，弹性限位件可以更好的进行定位，弹性限位件的弹力增大可以调整l1和l2之间的差值来进行调整，差值越大，弹力越大，但是弹力大时，定位部对板状本体1的表面的压强越大，有可能损坏板状本体，因此选择合适的差值尤为重要，为了保证即可具有足够的弹力又不损坏板状本体，l2-l1的取值范围在2-5毫米之间，弹性限位件的弹性系数1.75≥k≥1.35，其中计算方法采用下列公式进行计算：(l2-l1)＝2*k*θ*(s1/l3
1/2
),其中θ为调节系数，取值范围为：0.47-5.75，s1为定位部2100与板状本体1表面的接触面积。
54.实施例二进一步地，本发明还提供了一种用于燃料电池的膜电极组件的形成方法，该方法包括以下步骤：s1、提供所述板状本体，将所述保护框围设在所述板状本体的边缘位置，形成所述腔体22,；s2、通过第一通道或第二通道向所腔体22内部注入熔融态的密封体，使熔融态的密封体从另一通道流出，从而使融入态的密封体充满所述腔体22；s3、待所述熔融态的密封体冷却凝固后形成所述保护件2。
55.进一步地，所述“提供所述板状本体，将所述保护框围设在所述板状本体的边缘位置，形成所述腔体22”包括：s10、参考图3、图4，通过将四个子框架围设在板状本体的边缘，并将板状本体1位于保护框21的两个第二侧壁上设置的限位件210之间，通过限位件210的限位部对板状本体的两个板面相接触，从而对每一个子框架进行定位；其中限位件210可以为制造保护框的子框架时一体设置。
56.s11、通过杆状件的定位端与板状本体的气体扩散层的边缘相接触进行定位；s12、然后通过连接件213将四个子框架进行首位连接，从而形成所述保护框，在保护框和板状本体的边缘之前形成所述腔体22。
57.进一步的，在步骤s11中，杆状件的定位端能够伸出所述第二侧壁的第一端部2220一定距离，从而在通过杆状件的定位端与气体扩散层接触后可以使第二侧壁的第一端部2220与气体扩散层之间形成所述第一间隙，通过调节杆状件的定位端伸出的尺寸调节所述第一间隙的尺寸。
58.进一步地，其中每一个子框架的端部均设置有45
°
夹角的配合角214，从而可以便于四个子框架拼合，在配合角靠近边缘的位置与配合角的边缘平行设置有插接槽215，且插接槽215在所述第一表面和第二表面均设置，连接件213包括平行设置的两个插接板2130及连接两个插接板2130的连接板2131；在将四个字框架拼接在一起时相配合的两个配合角214上设置的插接槽215平行设置，插接板2130能够同时插入两个插接槽内对子框架进行连接。
59.进一步地，参考图5、图7、图8，作为优选的实施方式，在插接板2130的端部设置有卡合槽2132，在插接槽215的开口位置设置有与卡合槽2132卡接配合的卡接部216，从而可以在插接板插接在插接槽内并插接到位时卡合槽2132和卡接部216卡接配合，从而可以保证连接件213可以有效牢固卡接。
60.进一步地，在步骤s2和s3之间还包括：在融入态的密封体从另一通道内流出时，融入态的密封体充满了腔体22，然后融入态的密封体从第一间隙内溢出，充满所述第一间隙。通过这种设置方式，可以在融入态的密封体凝固后形成第二密封体，从而可以通过第二密封体将气体密封层的边缘进一步包裹，可以进一步的保证气体不会漏出。
61.上述方法还包括s4、在所述腔体22和所述第一间隙内的融入态的密封体凝固后，切除所述限位件210及溢出的密封体，从而形成所述膜电极组件，通过这种方法形成的膜电极组件可以在板状本体的边缘形成第一密封件和第二密封件，第一密封件23和第二密封件采用苯型聚酰亚胺、联苯型聚酰亚胺制成，从而可以对板状本体的边缘充分包裹，从而可以提高膜电极组件的耐久性，提高稳定性，改善膜电极组件的结构强度，改善气体渗漏的问题。
62.以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。