一種燃料電池膜電極組件的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于燃料電池技術領域，具體地說是提出了一種新的燃料電池膜電極組件。
【背景技術】
[0002]燃料電池是一種將氫和氧的化學能通過電極反應直接轉換成電能的裝置。燃料電池通常由多個電池單元構成，每個電池單元包括兩個電極(陽極和陰極)，該兩個電極被電解質元件隔開，并且彼此串聯地組裝，形成燃料電池堆。通過給每個電極供給適當的反應物，即給一個電極供給燃料而另一個供給氧化劑，實現電化學反應，從而在電極之間形成電位差，并且因此產生電能。
[0003]燃料電池的核心部件之一是膜電極MEA，膜電極由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發電化學反應的催化劑，如金屬鉑等催化劑。膜電極兩邊可用高導電物體將發生電化學發應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流回路。
[0004]常見的膜電極結構制作一般為在Naf1n質子交換膜兩側涂覆催化層，在膜的周邊預留出一定寬度的面積用于設置兩側隔離的密封墊，然后在兩側放置擴散層組成膜電極MEA組件。這樣的制作方法不僅需要根據不同設計逐個定制MEA組件，而且為密封而耗費昂貴的質子交換膜，不利于降低燃料電池產品的制作成本，。而且由于膜電極兩側的反應區才需要涂覆催化層，需要留出合適位置的邊緣，因此生產需要特定的工裝來定位準確，難以批量生產，增加了生產的難度。
[0005]為了解決這樣問題，ballard公司在膜兩側均勻涂覆催化劑，然后裁剪成反應區的大小，再在其兩側復合上擴散層得到MEA，再采用專用模具在MEA周邊接上密封加強材料，這樣由于不需要在Naf1n膜兩側定位涂覆催化劑，只要全部涂滿催化劑，然后裁剪呈需要大小即可，因此，可以批量生產，Naf1n膜均在反應區，而密封層可采用廉價的普通密封膠，降低了成本。但是由于要在MEA周邊額外接上密封加強材料，非常困難，ballard公司采用了昂貴的專用模具，制造方法如下:1.將質子交換膜兩側涂覆催化劑層，并裁剪成需要的大小作為FCM，2.放入專用模具內定位，專用模具在使用前需要進行徹底清潔，以免污染催化劑層，另外還要設定好合適的壓力，以免壓力過大損壞非常薄的FCM，還需要對模具進行預熱，預熱溫度也存在損壞FCM的風險。3.采用注膠設備將密封加強材料熔融，然后注入抽真空的模具中，由于FCM非常薄，灌膠時，容易被流動的熔融膠體沖變形，在模具中成型后冷卻取出。4.在兩側復合擴散層，并用單面膠連接并固定密封加強層和擴散層，或者采用點膠設備進行復壓，容易使最終MEA厚度不一，組裝時，壓壞或接觸不良。
[0006]可以看出，為了降低成本，批量生產，出現了全催化涂層膜(FCM)的制作方法，即不再預留用于密封的邊沿膜料，膜的兩側全部均勻涂覆催化劑，然后裁剪成反應區的大小，再在其兩側復合上擴散層得到MEA，再采用專用設備和模具在MEA周邊注膠密封加強材料。但是由于要在MEA周邊注膠密封加強材料，因此需要昂貴的專用設備、模具及密封粘接膠等，制作工藝非常昂貴復雜。
【發明內容】
[0007]本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種可批量生產、成本低的燃料電池膜電極組件。
[0008]本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現:一種燃料電池膜電極組件包括質子交換膜和兩側制作催化層構成的FCM，再在催化層兩外側配置擴散層，組成MEA組件。所述FCM和擴散層的面積可以相同或不同。所述的MEA組件四周邊沿設有層疊密封墊，該密封墊同時構成結構加強層，即密封加強層。其結構組成可以有不同方案，其中典型結構之一主要包括:墊片，墊片兩側粘貼的雙面膠，雙面膠外側的加強膜。所述的雙面膠粘貼在墊片表面并延伸至FCM層兩側表面粘接，所述的擴散層通過延伸到FCM層表面的雙面膠粘接固定在FCM表面，同時，所述的墊片和加強膜均通過雙面膠粘貼到MEA膜側邊，并在墊片與膜電極之間設有一密封膠堵塞塊。
[0009]所述的墊片厚度可選，通常選擇小于或等于FCM相同厚度，墊片設置在MEA膜側邊并與質子交換膜相對的位置，在墊片與質子交換膜之間留有一間隙，填充密封膠，防止FCM層兩側氣體相互竄流。
[0010]所述的雙面膠覆蓋墊片的整個側面并延伸至FCM層表面，該延伸至FCM層表面的雙面膠與FCM層表面粘接層的寬度一般不大于2mm，但根據需要可以加大。
[0011]所述的墊片材料為耐腐蝕、耐高溫的塑料或金屬膜片，包括PEN、PET以及不銹鋼等，所述的加強膜材料為高強度的塑料或金屬膜片，包括PEN、PET、FR-4, FR-5以及不銹鋼等。
[0012]所述的密封加強層的另一種典型結構如下:所述的密封加強層包括墊片，墊片兩側粘貼的雙面膠，以及雙面膠外側的加強膜，所述的雙面膠粘貼在墊片表面并延伸至FCM層表面粘接，所述的擴散層通過延伸到FCM層表面的雙面膠粘接固定在FCM表面，同時，所述的墊片和加強膜均通過雙面膠粘貼到MEA側邊。
[0013]所述的墊片厚度與所述質子交換膜的厚度相同，墊片設置在MEA膜側邊并與質子交換膜相對的位置，所述的雙面膠黏在FCM層側面，防止其兩側氣體竄流。
[0014]所述的雙面膠覆蓋墊片的整個側面并延伸至FCM層表面，該延伸至FCM層表面的雙面膠與FCM層表面粘接層的寬度一般不大于2mm，但根據需要可以加大。
[0015]所述MEA中的質子交換膜通常為Naf1n膜，也可以選擇其他性能類似的膜，所述的墊片材料為耐高溫的塑料，包括PEN、PET等，所述的加強膜材料為高強度的塑料，包括PEN、PET、FR-4、FR-5 等。
[0016]所述的密封加強層的另一種典型結構如下:所述的密封加強層包括兩層雙面膠，以及加強膜，所述的兩層雙面膠的一面相互粘合并分別延伸至FCM層兩側表面粘接，兩層雙面膠的另一面各自粘貼一加強膜。
[0017]所述的兩層雙面膠一端相互粘合，另一端分別貼合在FCM層的兩側表面上，兩層雙面膠與FCM層形成間隙，該間隙內填充密封膠，防止FCM層兩側氣體竄流。
[0018]延伸至FCM層表面的雙面膠與FCM層表面粘接層的寬度一般不大于2_，但根據需要可以加大。
[0019]所述MEA中的質子交換膜通常為Naf1n膜，也可以選擇其他性能類似的膜，所述的加強膜材料為高強度的塑料，包括PEN、PET、FR-4, FR-5等。
[0020]一種燃料電池膜電極組件的制作方法，其特征在于:該方法包括以下步驟:
[0021](I)在膜的兩個側面均勻涂覆催化層，然后裁剪成需要的大小，得到FCM ;
[0022](2)在FCM層邊緣外設置與膜厚度相同的墊片，并在墊片兩側面粘貼雙面膠，該雙面膠延伸至FCM兩側表面粘接，或者不使用墊片，直接將兩層雙面膠相互粘合后延伸至FCM兩側表面粘接；
[0023](3)在雙面膠的另一側面粘貼加強膜，同時在FCM兩側表面設置擴散層，擴散層通過延伸至FCM表面邊緣區域的雙面膠粘接固定。
[0024]設置墊片時，所述的墊片與FCM之間留有間隙，該間隙內填充密封膠；
[0025]不設墊片時，兩層雙面膠一端相互粘合，另一端分開分別粘貼在FCM兩側表面，兩層雙面膠與FCM之留有間隙，該間隙內填充密封膠。
[0026]與現有技術相比，本實用新型優點在于:
[0027]1.催化劑在諸如Naf1n膜的兩側均勻全覆蓋涂覆，不需要如傳統膜那樣通過專用模具，指定尺寸的區域進行定位涂覆，因此，操作簡單、可以批量生產；
[0028]2.將涂覆催化劑的FCM裁剪成需要的大小，然后采用雙面膠在其兩側粘接固定，在側面粘貼密封加強材料，只需要簡單的工裝定為即可生產，操作簡單方便，而且粘接輔助的材料廉價又省去了非反應區昂貴的質子交換膜材料，因此能顯著的降低成本。由于生產不需要投入昂貴的專用模具、注膠設備等，能減少成本的同時還提高了產品質量；
[0029]3.擴散層由粘貼到到FCM層表面的雙面膠粘接固定，操作簡單可靠。
[0030]4.雙面膠可滲入擴散層和催化層內形成滲透區，在粘接固定FCM和氣體擴散層的同時，還能起到密封的作用。
[0031]5.FCM的生產不受產品尺寸限制，可成批生產為卷狀，在做產品設計時也靈活多變，不需考慮FCM生產的專用模具，因此可以顯著提高設計和生產的效率。
【附圖說明】
[0032]圖1為本實用新型實施例1膜電極組件的結構示意圖；
[0033]圖2為本實用新型實施例2膜電極組件的結構示意圖；
[0034]圖3為本實用新型實施例3膜電極組件