[发明专利]一种燃料电池膜电极密封框架

说明书

本发明涉及一种燃料电池的密封框架，具体涉及一种燃料电池膜电极密封框架，用于燃料电池中，所述的燃料电池包括CCM膜、膜电极密封框架、炭纸和双极板，密封框架包括子密封框架和支撑框架；CCM膜的两侧分别依次设置子密封框架和支撑框架以及双极板；炭纸镶嵌于膜电极密封框架内部并覆盖CCM膜的活性区域；CCM膜单侧的子密封框架和支撑框架的总厚度与CCM膜单侧的炭纸压缩后的总厚度相等。与现有技术相比，本发明的膜电极蜜蜂框架可起到支撑与防过压的作用，有效防止由于电堆压力过大，导致炭纸和催化层发生损伤；同时还可降低双极板密封胶线的精度要求，使电堆高效匹配组装。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池的密封框架，具体涉及一种燃料电池膜电极密封框架。

背景技术

质子交换膜燃料电池通常是指由膜电极和双极板层层交替重叠，并在两端设置集流板和端板套件，串联组装而成的电堆。该装置的内部核心部件是膜电极(MEA)。MEA由质子交换膜、催化层、炭纸和密封边框组成，碳载铂催化剂通过喷涂、转印等技术手段均匀地分布在质子交换膜的两侧，形成CCM。扩散层通常由碳纸或者碳布组成，它贴合在CCM活性区域的两侧。密封边框贴合于质子交换膜两侧的外围，起到密封作用。膜电极两侧为双极板。双极板兼有集流体、流场板和气体分隔板的功能，通常由石墨板、金属板、复合板等导电材质构成。

工作时，质子交换膜燃料电池通常采用氢气为燃料，含有氧气的空气(或纯氧)为氧化剂，在阳极区，加湿的氢气通过电化学反应就产生了氢离子(或称为质子)。质子交换膜允许氢离子从阳极区迁移往阴极区，但不允许氢分子或者氢原子通过，因此，质子交换膜可以分隔氢气与氧气，使它们不能直接混合而发生热化学反应，反应只能通过电化学方式进行。在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)为反应气体的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：H₂→2H⁺+2e^-

阴极反应：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

为了确保质子交换膜燃料电池中的燃料与氧化剂气体能够分布到整个膜电极两边表面上而又不产生混合，膜电极的密封技术很关键。如果膜电极密封不好，可能会产生两种泄露情况：一种情况是燃料气体与氧化剂气体在电堆内部混合(内漏)，在阳极或者阴极催化剂的作用下，迅速发生热化学复合反应，放出大量的热，使电解质膜(质子交换膜)熔穿，失去隔离燃料气体和氧化气体的作用，引起爆炸或者大面积的膜电极烧毁现象，使电堆迅速失效；另一种情况是燃料气体或氧化剂气体向电堆外部渗漏(外漏)，这会降低燃料电池的能量利用效率。如果电堆是在密闭或者通风条件不好的空间内工作，致使泄露的燃料氢气浓度在周围空间不断积累，也会引发爆炸，进而会对周围的人员和设备构成威胁。

即便膜电极没有发生泄露，在组装电堆时，由于膜电极的炭纸产生压缩形变，还会使得电堆中膜电极单节受力不均匀，导致性能一致性较差，影响电堆的整体发电性能；其中膜电极单节受力不均匀有可能是膜电极自身厚度精度、双极板密封线精度以及组装过程中出现的错位导致。电堆在长期运行过程中，膜电极由于长期处于受压状态，而常规密封结构中，密封边框比炭纸薄得多，很难保证几百节膜电极处于一致性较好的状态，从而导致某些节膜电极出现过压或者性能单低的现象，此木桶效应不得不使电堆反常维修，大大增加了运行维护成本。

电堆在装配时，需要对膜电极和双极板进行精确定位，使各层膜电极两侧的反应气体都能精确地按双极板上的流道传递到膜电极的指定区域，实现各部分均匀发电。精确定位通过双极板和膜电极上的定位孔来实现。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种燃料电池膜电极密封框架，有效防止由于电堆压力过大而导致的炭纸和催化层受到损伤，实现了对炭纸的有效支撑，保证了堆叠后形成的电堆的一致性。