一种燃料电池膜电极组件及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于燃料电池技术领域，具体地说是提出了一种新的燃料电池膜电极组件制作方法。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。燃料电池通常由多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(阳极和阴极)，该两个电极被电解质元件隔开，并且彼此串联地组装，形成燃料电池堆。通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化剂，实现电化学反应，从而在电极之间形成电位差,并且因此产生电能。
[0003]燃料电池的核心部件之一是膜电极MEA，膜电极由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属钼等催化剂。膜电极两边可用高导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子,通过外电路弓丨出，构成电流回路。
[0004]常见的膜电极结构制作一般为在Naf1n质子交换膜两侧涂覆催化层，在膜的周边预留出一定宽度的面积用于设置两侧隔离的密封垫，然后在两侧放置扩散层组成膜电极MEA组件。这样的制作方法不仅需要根据不同设计逐个定制MEA组件，而且为密封而耗费昂贵的质子交换膜，不利于降低燃料电池产品的制作成本，。而且由于膜电极两侧的反应区才需要涂覆催化层，需要留出合适位置的边缘，因此生产需要特定的工装来定位准确，难以批量生产，增加了生产的难度。
[0005]为了解决这样问题，ballard公司在膜两侧均匀涂覆催化剂，然后裁剪成反应区的大小，再在其两侧复合上扩散层得到MEA，再采用专用模具在MEA周边接上密封加强材料，这样由于不需要在Naf1n膜两侧定位涂覆催化剂，只要全部涂满催化剂，然后裁剪呈需要大小即可，因此，可以批量生产，Naf1n膜均在反应区，而密封层可采用廉价的普通密封胶，降低了成本。但是由于要在MEA周边额外接上密封加强材料，非常困难，ballard公司采用了昂贵的专用模具，制造方法如下:1.将质子交换膜两侧涂覆催化剂层，并裁剪成需要的大小作为FCM，2.放入专用模具内定位，专用模具在使用前需要进行彻底清洁，以免污染催化剂层，另外还要设定好合适的压力，以免压力过大损坏非常薄的FCM，还需要对模具进行预热，预热温度也存在损坏FCM的风险。3.采用注胶设备将密封加强材料熔融，然后注入抽真空的模具中，由于FCM非常薄，灌胶时，容易被流动的熔融胶体冲变形，在模具中成型后冷却取出。4.在两侧复合扩散层，并用单面胶连接并固定密封加强层和扩散层，或者采用点胶设备进行复压，容易使最终MEA厚度不一，组装时，压坏或接触不良。
[0006]可以看出，为了降低成本，批量生产，出现了全催化涂层膜(FCM)的制作方法，即不再预留用于密封的边沿膜料，膜的两侧全部均匀涂覆催化剂，然后裁剪成反应区的大小，再在其两侧复合上扩散层得到MEA，再采用专用设备和模具在MEA周边注胶密封加强材料。但是由于要在MEA周边注胶密封加强材料，因此需要昂贵的专用设备、模具及密封粘接胶等，制作工艺非常昂贵复杂。
【发明内容】
[0007]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可批量生产、成本低的燃料电池膜电极组件及其制作方法。
[0008]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种燃料电池膜电极组件包括质子交换膜和两侧制作催化层构成的FCM，再在催化层两外侧配置扩散层，组成MEA组件。所述FCM和扩散层的面积可以相同或不同。所述的MEA组件四周边沿设有层叠密封垫，该密封垫同时构成结构加强层，即密封加强层。其结构组成可以有不同方案，其中典型结构之一主要包括:垫片，垫片两侧粘贴的双面胶，双面胶外侧的加强膜。所述的双面胶粘贴在垫片表面并延伸至FCM层两侧表面粘接，所述的扩散层通过延伸到FCM层表面的双面胶粘接固定在FCM表面，同时，所述的垫片和加强膜均通过双面胶粘贴到MEA膜侧边，并在垫片与膜电极之间设有一密封胶堵塞块。
[0009]所述的垫片厚度可选，通常选择小于或等于FCM相同厚度，垫片设置在MEA膜侧边并与质子交换膜相对的位置，在垫片与质子交换膜之间留有一间隙，填充密封胶，防止FCM层两侧气体相互窜流。
[0010]所述的双面胶覆盖垫片的整个侧面并延伸至FCM层表面，该延伸至FCM层表面的双面胶与FCM层表面粘接层的宽度一般不大于2mm,但根据需要可以加大。
[0011]所述的垫片材料为耐腐蚀、耐高温的塑料或金属膜片，包括PEN、PET以及不锈钢等，所述的加强膜材料为高强度的塑料或金属膜片，包括PEN、PET、FR-4、FR-5以及不锈钢坐寸ο
[0012]所述的密封加强层的另一种典型结构如下:所述的密封加强层包括垫片，垫片两侦_贴的双面胶，以及双面胶外侧的加强膜，所述的双面胶粘贴在垫片表面并延伸至FCM层表面粘接，所述的扩散层通过延伸到FCM层表面的双面胶粘接固定在FCM表面，同时，所述的垫片和加强膜均通过双面胶粘贴到MEA侧边。
[0013]所述的垫片厚度与所述质子交换膜的厚度相同，垫片设置在MEA膜侧边并与质子交换膜相对的位置，所述的双面胶黏在FCM层侧面，防止其两侧气体窜流。
[0014]所述的双面胶覆盖垫片的整个侧面并延伸至FCM层表面，该延伸至FCM层表面的双面胶与FCM层表面粘接层的宽度一般不大于2mm,但根据需要可以加大。
[0015]所述MEA中的质子交换膜通常为Naf1n膜，也可以选择其他性能类似的膜，所述的垫片材料为耐高温的塑料，包括PEN、PET等，所述的加强膜材料为高强度的塑料，包括PEN、PET、FR-4、FR-5 等。
[0016]所述的密封加强层的另一种典型结构如下:所述的密封加强层包括两层双面胶，以及加强膜，所述的两层双面胶的一面相互粘合并分别延伸至FCM层两侧表面粘接，两层双面胶的另一面各自粘贴一加强膜。
[0017]所述的两层双面胶一端相互粘合，另一端分别贴合在FCM层的两侧表面上,两层双面胶与FCM层形成间隙，该间隙内填充密封胶，防止FCM层两侧气体窜流。
[0018]延伸至FCM层表面的双面胶与FCM层表面粘接层的宽度一般不大于2mm，但根据需要可以加大。
[0019]所述MEA中的质子交换膜通常为Naf1n膜，也可以选择其他性能类似的膜，所述的加强膜材料为高强度的塑料，包括PEN、PET、FR-4、FR-5等。
[0020]一种燃料电池膜电极组件的制作方法，其特征在于:该方法包括以下步骤:
[0021](I)在膜的两个侧面均匀涂覆催化层，然后裁剪成需要的大小，得到FCM ；
[0022](2)在FCM层边缘外设置与膜厚度相同的垫片，并在垫片两侧面粘贴双面胶，该双面胶延伸至FCM两侧表面粘接，或者不使用垫片，直接将两层双面胶相互粘合后延伸至FCM两侧表面粘接；
[0023](3)在双面胶的另一侧面粘贴加强膜，同时在FCM两侧表面设置扩散层,扩散层通过延伸至FCM表面边缘区域的双面胶粘接固定。
[0024]设置垫片时，所述的垫片与FCM之间留有间隙，该间隙内填充密封胶；
[0025]不设垫片时，两层双面胶一端相互粘合，另一端分开分别粘贴在FCM两侧表面,两层双面胶与FCM之留有间隙，该间隙内填充密封胶。
[0026]与现有技术相比，本发明优点在于:
[0027]1.催化剂在诸如Naf1n膜的两侧均匀全覆盖涂覆，不需要如传统膜那样通过专用模具，指定尺寸的区域进行定位涂覆，因此，操作简单、可以批量生产；
[0028]2.将涂覆催化剂的FCM裁剪成需要的大小，然后采用双面胶在其两侧粘接固定，在侧面粘贴密封加强材料，只需要简单的工装定为即可生产，操作简单方便，而且粘接辅助的材料廉价又省去了非反应区昂贵的质子交换膜材料，因此能显著的降低成本。由于生产不需要投入昂贵的专用模具、注胶设备等，能减少成本的同时还提高了产品质量；
[0029]3.扩散层由粘贴到到FCM层表面的双面胶粘接固定，操作简单可靠。
[0030]4.双面胶可渗入扩散层和催化层内形成渗透区，在粘接固定FCM和气体扩散层的同时，还能起到密封的作用。
[0031]5.FCM的生产不受产品尺寸限制，可成批生产为卷状，在做产品设计时也灵活多变，不需考虑FCM生产的专用模具，因此可以显著提高设计和生产的效率。
【附图说明】
[0032]图1为本发明实施例1膜电极组件的结构示意图；
[0033]图2为本发明实施例2膜电极组件的结构示意图；
[0034]图3为本发明实施例3膜电极组件的结构示意图；
[0035]图4为本发明实施例4膜电极组件的结构示意图；
[0036]图中标识为:1为膜，2为催化层，3为扩散层，4为垫片，5为双面胶，6为加强膜，7为密封胶，8为渗透区a，9为渗透区b。
【具体实施方式】
[0037]以下结合附图，对本发明做进一步说明。
[0038]实施例1
[0039]如图