该技术已申请专利。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种膜电极结构。


背景技术：

2.燃料电池利用燃料与氧气的化学转化产生电能，其核心组件包括膜电极单元。膜电极单元是由可传导质子的膜和分别设置在膜两侧的电极(阳极和阴极)构成的联合体。燃料电池一般由大量堆叠设置的膜电极单元构成，这些膜电极单元的电功率相互叠加。
3.目前，市场上燃料电池的膜电极结构主要为七层结构，由双层边框与催化剂涂布质子交换膜(ccm)形成五层组件、然后将两层气体扩散层贴合于ccm的两侧得到。虽然上述七层结构能够保证边框上的密封、能够适配于燃料电池的工作环境，可使膜电极在装配到燃料电池上时具有良好的密封性能。但是，这样的膜电极在实际生产当中存在一定的缺陷，譬如，在大规模批量化生产的时候，由于需要使用到双层边框，因此材料的用量会比较大，同时压合对位难度较大，难以保证精度，容易出现漏气的情况。因此，双边框膜电极结构成本较高，且难以保证质量。
4.为克服上述双边框膜电极结构的缺点，人们开始设计单边框膜电极结构。常见的单边框膜电极结构是将ccm与一侧气体扩散层粘接形成组合体，然后将该组合体和另一侧气体扩散层分别粘接于膜电极边框的两侧得到单边框膜电极。由上述单边框膜电极制备的单电池虽然能在一定程度上减少材料的消耗，但是，由于ccm与边框是单面粘接，对粘接强度具有很高的要求，膜电极长时间工作后容易出现漏气的现象。


技术实现要素：

5.基于此，本实用新型提供一种膜电极结构，旨在解决现有的双边框膜电极成本较高、难以保证质量，单边框膜电极对粘接强度具有很高的要求、膜电极长时间工作后容易出现漏气等问题。本技术结构具有较好的密封性，能够保证膜电极的质量，结构便于制作，能够有效提高生产效率、降低成本，适用于规模化生产。
6.为实现上述目的，本实用新型实施例提供一种膜电极结构，用于燃料电池，包括催化剂涂布质子交换膜、第一边框、第二边框、第一气体扩散层以及第二气体扩散层；所述催化剂涂布质子交换膜的边框上涂布有粘连剂，所述催化剂涂布质子交换膜通过所述粘连剂粘接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通过粘接保护层粘接于所述催化剂涂布质子交换膜靠近所述第二边框的一侧；所述第二气体扩散层粘接于所述催化剂涂布质子交换膜靠近所述第一边框的一侧；
7.所述第一气体扩散层的尺寸设置于所述催化剂涂布质子交换膜活性区域尺寸与所述第二边框尺寸之间；
8.所述第二气体扩散层的尺寸设置于所述催化剂涂布质子交换膜活性区域尺寸与所述第一边框镂空区域尺寸之间。
9.作为优选的实施方式，所述第一气体扩散层与所述第二边框之间的宽度差为0～
50mm，所述第一气体扩散层与所述第二边框之间的长度差为0～50mm；所述第一气体扩散层与所述催化剂涂布质子交换膜之间的宽度差为0～50mm，所述第一气体扩散层与所述催化剂涂布质子交换膜之间的长度差为0～50mm。
10.作为优选的实施方式，所述第二气体扩散层与所述第一边框之间的宽度差为0～50mm，所述第二气体扩散层与所述第一边框之间的长度差为0～50mm；所述第二气体扩散层与所述催化剂涂布质子交换膜之间的宽度差为0～50mm，所述第二气体扩散层与所述催化剂涂布质子交换膜之间的长度差为0～50mm。
11.作为优选的实施方式，所述第一边框为具有与所述燃料电池的双极板相适配的燃料进出口的密封边框；所述第二边框为与所述催化剂涂布质子交换膜大小相适配的矩形镂空框。
12.作为优选的实施方式，所述第一边框的材料为pi、pen、pps、pet及peek中的一种或至少两种的混合物；所述第二边框的材料为pi、pen、pps、pet及peek中的一种或至少两种的混合物。
13.作为优选的实施方式，所述第一边框的厚度为0.01mm～1.00mm；所述第二边框的厚度为0.01mm～1.00mm。
14.作为优选的实施方式，所述第一边框为双面附着胶层的边框；所述第二边框为双面附着胶层的边框。
15.作为优选的实施方式，所述胶层为热固化型胶粘剂、压敏型胶粘剂和光固化型胶粘剂的一种或至少两种的混合物。
16.作为优选的实施方式，所述热固化型胶粘剂优选为环氧树脂系胶或聚氨酯系胶；所述压敏型胶粘剂优选为丙烯酸系胶；所述光固化型胶粘剂优选为聚醚丙烯酸酯系胶。
17.作为优选的实施方式，所述第一气体扩散层通过所述第二边框的胶层粘接于所述催化剂涂布质子交换膜的一侧。
18.作为优选的实施方式，所述粘接保护层为热固化型胶粘剂、压敏型胶粘剂、光固化型胶粘剂及热固性胶膜的一种或至少两种的混合物。
19.作为优选的实施方式，所述热固化型胶粘剂优选为环氧树脂系胶或聚氨酯系胶；所述压敏型胶粘剂优选为丙烯酸系胶；所述光固化型胶粘剂优选为聚醚丙烯酸酯系胶；所述热固性胶膜优选为环氧树脂类胶膜。
20.与现有的膜电极结构相比，本技术具有以下技术效果：
21.(1)相较于目前双边框结构的膜电极，本实用新型采用局部双边框的结构，能够有效减少边框材料的使用，从而有效提高边框材料的使用效率，同时减少由于双边框对位过程出现偏差而出现漏气的可能性，降低了膜电极制作的难度；
22.(2)相较于单边框结构膜电极，本实用新型采用局部双边框的结构，能够实现双边密封，进而有效减少由于单边密封而容易出现漏气的现象。
23.(3)本实用新型中的边框双面附着胶层，在膜电极完成组装之后可以直接与双极板进行粘接贴合而组装成单电池，实现一体化生产，免去了在双极板上先粘接密封线的工序，有效提高了生产效率。本实用新型的结构简单，生产成本较低，生产效率较高，易于批量化或大规模生产。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
25.图1为本实用新型实施例的膜电极结构的结构示意图。
26.本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例做进一步说明。
具体实施方式
27.下面将结合本实用新型实施例中对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
29.在本技术中，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技术中的具体含义。
30.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
31.另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
32.目前，市场上燃料电池的膜电极结构主要为七层结构，在实际生产当中存在一定的缺陷，譬如，在大规模批量化生产的时候，由于需要使用到双层边框，因此材料的用量会比较大，同时压合对位难度较大，难以保证精度，容易出现漏气的情况。因此，双边框膜电极结构成本较高，且难以保证质量。单边框膜电极制备的单电池虽然能在一定程度上减少材料的消耗，但是，由于ccm与边框是单面粘接，对粘接强度具有很高的要求，膜电极长时间工作后容易出现漏气的现象。基于此，有必要提供一种膜电极结构以解决上述技术问题。
33.为实现上述目的，如图1所示，本实用新型实施例提供一种膜电极结构，用于燃料电池，包括催化剂涂布质子交换膜10、第一边框20、第二边框30、第一气体扩散层40以及第
二气体扩散层50；所述催化剂涂布质子交换膜10的边框11上涂布有粘连剂(图中未标识)，所述催化剂涂布质子交换膜10通过所述粘连剂粘接于所述第一边框20和所述第二边框30之间，所述第一气体扩散层40通过粘接保护层(图中未标识)粘接于所述催化剂涂布质子交换膜10靠近所述第二边框30的一侧；所述第二气体扩散层50粘接于所述催化剂涂布质子交换膜10靠近所述第一边框20的一侧；
34.所述第一气体扩散层40的尺寸设置于所述催化剂涂布质子交换膜10活性区域尺寸与所述第二边框30尺寸之间；
35.所述第二气体扩散层50的尺寸设置于所述催化剂涂布质子交换膜10活性区域尺寸与所述第一边框20镂空区域尺寸之间。
36.通过控制所述第一气体扩散层的尺寸设置于所述催化剂涂布质子交换膜活性区域尺寸与所述第二边框尺寸之间、所述第二气体扩散层的尺寸设置于所述催化剂涂布质子交换膜活性区域尺寸与所述第一边框镂空区域尺寸之间，使得本技术的膜电极能够形成局部双层边框结构，能够有效减少边框材料的使用，从而有效提高边框材料的使用效率，同时减少由于双边框对位过程出现偏差而出现漏气的可能性，降低了膜电极制作的难度。
37.粘连剂的涂布厚度一般为5μm～250μm，这样既能保证膜电极的活性区域、控制材料的用量，又能很好的保证各部件之间的粘连效果。
38.作为优选的实施方式，所述第一气体扩散层40与所述第二边框30之间的宽度差为0～50mm，所述第一气体扩散层40与所述第二边框30之间的长度差为0～50mm；所述第一气体扩散层40与所述催化剂涂布质子交换膜10之间的宽度差为0～50mm，所述第一气体扩散层40与所述催化剂涂布质子交换膜10之间的长度差为0～50mm。这样，既能保证膜电极的活性区域、控制材料的用量，同时减少由于双边框对位过程出现偏差而出现漏气的可能性，降低了膜电极制作的难度。
39.作为优选的实施方式，所述第二气体扩散层50与所述第一边框20之间的宽度差为0～50mm，所述第二气体扩散层50与所述第一边框20之间的长度差为0～50mm；所述第二气体扩散层50与所述催化剂涂布质子交换膜10之间的宽度差为0～50mm，所述第二气体扩散层50与所述催化剂涂布质子交换膜10之间的长度差为0～50mm。这样，既能保证膜电极的活性区域、控制材料的用量，同时减少由于双边框对位过程出现偏差而出现漏气的可能性，降低了膜电极制作的难度。
40.作为优选的实施方式，所述第一边框20为具有与所述燃料电池的双极板相适配的燃料进出口21的密封边框；所述第二边框30为与所述催化剂涂布质子交换膜10大小相适配的矩形镂空框。
41.作为优选的实施方式，所述第一边框20的材料为pi、pen、pps、pet及peek中的一种或至少两种的混合物；所述第二边框30的材料为pi、pen、pps、pet及peek中的一种或至少两种的混合物。
42.作为优选的实施方式，所述第一边框20的厚度为0.01mm～1.00mm；所述第二边框30的厚度为0.01mm～1.00mm。
43.作为优选的实施方式，所述第一边框20为双面附着胶层的边框；所述第二边框30为双面附着胶层的边框。
44.作为优选的实施方式，所述胶层为热固化型胶粘剂、压敏型胶粘剂和光固化型胶
粘剂的一种或至少两种的混合物。
45.作为优选的实施方式，所述热固化型胶粘剂优选为环氧树脂系胶或聚氨酯系胶；所述压敏型胶粘剂优选为丙烯酸系胶；所述光固化型胶粘剂优选为聚醚丙烯酸酯系胶。
46.作为优选的实施方式，所述第一气体扩散层40通过所述第二边框30的胶层粘接于所述催化剂涂布质子交换膜10的一侧。
47.作为优选的实施方式，所述粘接保护层为热固化型胶粘剂、压敏型胶粘剂、光固化型胶粘剂及热固性胶膜的一种或至少两种的混合物。
48.作为优选的实施方式，所述热固化型胶粘剂优选为环氧树脂系胶或聚氨酯系胶；所述压敏型胶粘剂优选为丙烯酸系胶；所述光固化型胶粘剂优选为聚醚丙烯酸酯系胶；所述热固性胶膜优选为环氧树脂类胶膜。
49.具体的，在其中的一个实施例的膜电极结构中，第一边框与第二边框均为pen薄膜，催化剂涂布质子交换膜通过其边框上的热压固化粘连剂粘接于第一边框与第二边框之间，第一气体扩散层通过压敏型粘接保护层粘接于催化剂涂布质子交换膜的一侧，第二气体扩散层通过第二边框上的胶层粘接于催化剂涂布质子交换膜的另一侧。
50.在另一个实施例的膜电极结构中，第一边框与第二边框均为pi薄膜，催化剂涂布质子交换膜通过其边框上的热压固化粘连剂粘接于第一边框与第二边框之间，第一气体扩散层通过光固化粘接保护层粘接于催化剂涂布质子交换膜的一侧，第二气体扩散层通过第二边框上的胶层粘接于催化剂涂布质子交换膜的另一侧。
51.在再一个实施例的膜电极结构中，第一边框与第二边框均为pi薄膜，催化剂涂布质子交换膜通过其边框上的热压固化粘连剂粘接于第一边框与第二边框之间，第一气体扩散层通过热固化型粘接保护层粘接于催化剂涂布质子交换膜的一侧，第二气体扩散层通过第二边框上的胶层粘接催化剂涂布质子交换膜的另一侧。
52.在本技术的膜电极完成组装之后，可以直接与双极板进行粘接贴合而组装成单电池。制得的单电池具有较好的粘接强度，密封性好，其膜电极长时间(超出一般电池的工作时间)工作也不会出现漏气的现象。
53.与现有的膜电极结构相比，本技术具有以下技术效果：
54.(1)相较于目前双边框结构的膜电极，本实用新型采用局部双边框的结构，能够有效减少边框材料的使用，从而有效提高边框材料的使用效率，同时减少由于双边框对位过程出现偏差而出现漏气的可能性，降低了膜电极制作的难度；
55.(2)相较于单边框结构膜电极，本实用新型采用局部双边框的结构，能够实现双边密封，进而有效减少由于单边密封而容易出现漏气的现象。
56.(3)本实用新型中的边框双面附着胶层，在膜电极完成组装之后可以直接与双极板进行粘接贴合而组装成单电池，实现一体化生产，免去了在双极板上先粘接密封线的工序，有效提高了生产效率。本实用新型的结构简单，生产成本较低，生产效率较高，易于批量化或大规模生产。
57.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。