一种燃料电池膜电极组件用加强膜结构的制作方法

本实用新型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用加强膜结构。

背景技术：

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。

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，如金属铂等催化剂。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，通过外电路引出，构成电流回路。

常见的膜电极结构制作一般为在Nafion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。

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Nafion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，Nafion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。

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。

技术实现要素：

本实用新型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用加强膜结构。

本实用新型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用加强膜结构，与MEA匹配使用，所述的MEA由FCM及其两侧的扩散层组成，所述的FCM为质子交换膜及其两侧的催化层组成的全催化层膜，其特征在于：该加强膜结构为一体化的整体结构，包括两端各设置的两个O型密封圈状的凸块和中间粘结MEA的连接区，该连接区为中间镂空的边框状。

所述的FCM两端设置粘接胶，粘接胶一端延伸至FCM层两侧表面，将扩散层密封在催化层上，另一端延伸至连接区的边框上，将MEA粘结在连接区的镂空内。

所述的粘接胶端部还设置一段3M双面胶，粘贴在连接区的边框上。

延伸至连接区的边框上的粘接胶和3M双面胶上设有一层材质与所述加强膜结构相同的膜。该膜的材质与加强膜相同或不同，可以为柔性材料例如特氟龙、硅胶等，一方面起到加强作用，另一方面起到密封效果，扩散层内的气体不会溢散到边框上。

所述的FCM两端设置厚度相同的垫片，该垫片上下粘结双面胶，双面胶延伸至FCM的催化层上，垫片通过其表面的双面胶粘贴在连接区的边框上，从而将MEA固定在连接区的镂空处。

所述的加强膜结构与燃料电池的导流板匹配使用，加强膜结构两端的两个O型密封圈状的凸块与燃料电池导流板上的密封槽匹配。

所述的加强膜结构的形状与大小与燃料电池到导流板形状和大小相匹配，两个O型密封圈状的凸块之间设有与导流板上导流孔相匹配的流体进出口。

一种燃料电池膜电极组件用加强膜结构，与MEA匹配使用，所述的MEA由FCM及其两侧的扩散层组成，所述的FCM为质子交换膜及其两侧的催化层组成的全催化层膜，其特征在于：该加强膜结构为一体化的整体结构，包括两端各设置的两个O型密封圈状的凸块和中间粘结MEA的连接区，该连接区由上下设置的两层结构相同的连接片构成，两层连接片之间的间隙高度与FCM的质子交换膜厚度相当，所述连接片为中间镂空的边框状。

所述的FCM两端设置粘接胶，粘接胶插入两层连接片之间的间隙内，将MEA固定在连接片的镂空处。

所述的FCM两端设置厚度相同的垫片，该垫片上下粘结双面胶，双面胶延伸至FCM的催化层上，并将垫片插入两层连接片之间的间隙内，将MEA固定在连接片的镂空处。

与现有技术相比，本实用新型优点在于：

1.催化剂在诸如Nafion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；

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；

3.扩散层由粘贴到FCM层表面的双面胶粘接固定，操作简单可靠。

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。

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。

6.本实用新型加强膜结构将整个MEA通过粘结胶或双面胶粘结在中心镂空区，且在加强膜结构两端设置O型密封圈状的凸块，在于双极板进行组装时，凸块直接卡入双极板的密封槽内，不需要额外设置密封圈，简单方便，密封效果好。

附图说明

图1为本实用新型实施例1加强膜结构的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1加强膜结构与MEA组装的结构示意图；

图3为本实用新型实施例2加强膜结构的结构示意图；

图4为本实用新型实施例2加强膜结构与MEA组装的结构示意图

图中标识为：1为凸块，2为连接区，3为膜，4为连接片，5为粘接胶，6为3M双面胶，7为FCM，8为扩散层。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型做进一步说明。

实施例1

一种燃料电池膜电极组件用加强膜结构，如图1所示，加强膜结构为一体化的整体结构，包括两端各设置的两个O型密封圈状的凸块1和中间粘结MEA的连接区2，该连接区2为中间镂空的边框状。

加强膜结构与MEA匹配使用，如图2所示，所述的MEA由FCM7及其两侧的扩散层8组成，所述的FCM7为质子交换膜及其两侧的催化层组成的全催化层膜，所述的质子交换膜、催化层和扩散层8的面积相同(也可以不同，根据生产的需要方便批量生产即可)。

所述的FCM7两端设置粘接胶5，粘接胶5一端延伸至FCM层两侧表面，将扩散层8密封在催化层上，粘接胶5进入催化层形成渗透区起到固定和密封的作用，另一端延伸至连接区2的边框22上，将MEA粘结在连接区2的镂空21内。所述的粘接胶5端部还设置一段3M双面胶6，粘贴在连接区2的边框22上。延伸至连接区2的边框22上的粘接胶5和3M双面胶6上设有一层材质与所述加强膜结构相同的膜3。

所述的加强膜结构与燃料电池的导流板匹配使用，加强膜结构两端的两个O型密封圈状的凸块1与燃料电池导流板上的密封槽匹配。所述的加强膜结构的形状与大小与燃料电池到导流板形状和大小相匹配，两个O型密封圈状的凸块1之间设有与导流板上导流孔相匹配的流体进出口。

所述MEA中的质子交换膜通常为Nafion膜，也可以选择其他性能类似的膜，所述的加强膜结构的材料为高强度的塑料，包括PEN、PET、FR-4、FR-5等，或者柔性材料，如特氟龙、硅胶板等。

实施例2

所述的FCM两端设置厚度相同的垫片，该垫片上下粘结双面胶，双面胶延伸至FCM的催化层上，垫片通过其表面的双面胶粘贴在连接区2的边框22上，从而将MEA固定在连接区2的镂空处。其余同实施例1。

实施例3

如图3～4所示，加强膜结构的中间连接区2由上下设置的两层结构相同的连接片4构成，两层连接片4之间的间隙高度与FCM的质子交换膜厚度相当，所述连接片4为中间镂空的边框状。所述的FCM两端设置粘接胶5，粘接胶5端头连接3M双面胶6，然后插入两层连接片4之间的间隙内，将MEA固定在连接片4的镂空处。其余同实施例1。

实施例4

所述的FCM两端设置厚度相同的垫片，该垫片上下粘结双面胶，双面胶延伸至FCM的催化层上，并将垫片插入两层连接片4之间的间隙内，将MEA固定在连接片4的镂空处。其余同实施例3。