[實用新型]一種優化的質子交換膜電極裝置

有效

• 申請號: 202020306710.8
• 申請日: 2020-03-12
• 公開（公告）號: CN211980785U
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 付宇;傅云峰
• 申請（專利權）人: 上海驥翀氫能科技有限公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M8/0273
• 代理公司: 上海申新律師事務所 31272
• 代理人: 郭春遠

一種質子交換膜燃料電池膜電極裝置(MEA)，質子交換膜(8)外邊緣被聚酯邊框(7)夾持粘接密封，質子交換膜(8)兩側分別涂層陰極催化劑和陽極催化劑，在陰極側，陰極進口(1)區域涂有陰極催化劑，而在陰極出口(4)區域不涂陰極催化劑；在陽極側，陽極進口(6)區域和陽極出口(3)區域均不涂陽極催化劑；在催化劑涂層(11)外邊界與聚酯邊框內邊界(10)之間間距2?5mm。通過MEA陰陽極催化層涂布設計以及催化層不接觸聚酯邊框的設計，有效避免MEA空氣進口段干燥和空氣出口段水淹現象，避免因電池反應發熱和產水對聚酯邊框與質子交換膜之間的粘接密封界面失效，提高電池性能、可靠性和壽命。

技術領域

本實用新型涉及創新設備裝置的結構改進技術，尤其是一種優化的質子交換膜電極裝置。

背景技術

質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell)是一種燃料電池，在原理上相當于水電解的逆裝置。其單電池由陽極、陰極和質子交換膜組成，陽極為氫燃料發生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為傳遞H+的介質，只允許H+ 通過，而H2失去的電子則從導線通過。工作時相當于一直流電源，陽極即電源負極，陰極即電源正極。

質子交換膜燃料電池膜電極裝置主要材料分為質子交換膜、聚酯邊框、氣體擴散層、催化劑等，膜電極分上下兩面，一面為陰極，一面為陽極，氣體擴散層和催化劑分別分布在質子交換膜上面和下面，聚酯邊框將膜電極膜夾住粘接密封。陰極和陽極氣體擴散層和催化劑一般部分相同部分不同。

質子交換膜電極裝置(MEA)性能和工作狀態與膜電極壽命相互影響，在膜電極裝置在發電過程中，空氣進口區域相對于電池內部區域低溫、干燥，空氣出口區域相對于電池內部濕度大，嚴重時有水淹電極現象，干燥和水淹對電池性能和膜電極可靠性、壽命有影響；膜電極裝置發電過程中，催化層將產熱和產水，產熱將使材料溫度升高導致材料膨脹，產水將使質子交換膜發生溶脹，進一步的，在質子交換膜與聚酯邊框粘接部位將會因熱和水導致聚酯邊框老化加速和聚酯邊框頻繁脹縮引起聚酯邊框與質子交換膜粘接失效。

實用新型內容

本實用新型的目的是提供一種優化的質子交換膜電極裝置，解決現有技術問題。

本實用新型的目的將通過以下技術措施來實現：質子交換膜外邊緣被聚酯邊框夾持粘接密封，質子交換膜兩側分別涂層陰極催化劑和陽極催化劑，在陰極側，陰極進口區域涂有陰極催化劑，而在陰極出口區域不涂陰極催化劑；在陽極側，陽極進口區域和陽極出口區域均不涂陽極催化劑；在催化劑涂層外邊界與聚酯邊框內邊界之間間距2-5mm。

尤其是，質子交換膜中心部位為電池反應區，陰、陽極側涂布催化劑涂層，在催化劑涂層的外邊界與聚酯邊框內邊界之間區域為質子交換膜，不涂催化劑。

本實用新型的優點和效果，通過合理布置催化劑涂層分布，在陰極側空氣進口區域涂布催化劑而在對應的陽極側陽極出口區域不涂催化劑，在陰極進口區域將發生電極反應而在陽極出口區域不發生電極反應，電池空氣進口區域將產熱產水，并且陽極氣體所帶水分均有利于空氣進口段升溫加濕，在陰極空氣出口區域不涂催化劑，而且在陽極側陽極進口區域也不涂催化劑，在陰極出口區域和陽極進口區域均不發生電池反應，在該區域將不會產熱和產水，有利于電池水分排出和出口溫度下降，緩解電極水淹現象；在聚酯邊框與催化層之間設置間距，該區域將不產熱和產水，避免溫度提高造成聚酯邊框熱脹和質子交換膜溶脹，保護了聚酯邊框與質子交換膜之間的粘接性。

第一，由于空氣進口段為電池低溫、干燥部位，通過改進，陽極在此部位不再涂裝催化劑，也因此將不會發電，但在此部位相應陰極涂裝催化劑發電，將會產生水和熱量，一方面，產生水分使膜結構保持潤濕，進而可增濕，另一方面，產生熱量將會使電池空氣進口段升溫，提高電池活性，顯著加大電池陰極面積，有利于陰極電流密度以及電池整體溫度分布均勻；