[發明專利]一種燃料電池膜電極組件及其制作方法

有效

• 申請號: 201410707711.2
• 申請日: 2014-11-28
• 公開（公告）號: CN105702987B
• 公開（公告）日: 2018-08-14
• 發明（設計）人: 高勇;鄭勤勇
• 申請（專利權）人: 上海恒勁動力科技有限公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 趙志遠;蔣亮珠

本發明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制作方法。本方法首先在質子交換膜及其兩側的催化層組件的邊沿制作電極兩側隔離的密封墊，同時將催化層外設置的擴散層連接組成膜電極組件(MEA)。有效地降低了MEA生產成本和制作難度，同時使得MEA的尺寸設計變得靈活。

技術領域

本發明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制作方法。

背景技術

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。

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。

常見的膜電極結構制作一般為在Nafion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。

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Nafion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，Nafion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。

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

本發明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及其制作方法。