[發明專利]質子交換膜燃料電池單體及其制造方法

有效

• 申請號: 202110776111.1
• 申請日: 2021-07-09
• 公開（公告）號: CN113241460B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 李驍
• 申請（專利權）人: 武漢眾宇動力系統科技有限公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M8/0273;H01M8/0286
• 代理公司: 上海聯益知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31427
• 代理人: 尹飛宇

本發明提供一種質子交換膜燃料電池單體制造方法，其從制造質子交換膜燃料電池單體的角度出發，解決質子交換膜燃料電池單體的陽極和陰極之間的氣密性問題，從而將膜電極組件組裝整合進質子交換膜燃料電池單體的制造步驟，從而從整體上改進質子交換膜燃料電池單體的制造工藝。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及一種質子交換膜燃料電池單體。本發明還進一步涉及一種質子交換膜燃料電池單體制造方法。

背景技術

燃料電池(或燃料電池堆)可通過電化學反應，將燃料中的化學能直接轉變成電能。然而，單個燃料電池(或燃料電池單體)能夠提供的電壓和輸出功率較低。因此，在實際應用中，一般將多個燃料電池單體堆疊在一起，以形成能夠提供高電壓和大功率的燃料電池堆(或燃料電池電堆)。

燃料電池單體，如質子交換膜燃料電池單體包括陽極板(或陽極流場板)、膜電極組件和陰極板(或陰極流場板)，其中該膜電極組件進一步包括陽極氣體擴散層、質子交換膜、陰極氣體擴散層和和附著在該質子交換膜的催化劑層。氫氣或含氫氣的混合氣體通過陽極板的流場被提供，并通過陽極氣體擴散層擴散至該質子交換膜的陽極側，氧氣或含氧氣的混合氣體通過陰極板的流場被提供，并通過陰極氣體擴散層擴散至該質子交換膜的陰極側。在燃料電池內部，質子交換膜為質子的遷移和輸送提供通道，使得質子經過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉移構成回路，向外界提供電流。相應地，質子交換膜具有防止電池陰陽極接觸，避免兩極燃料直接反應，傳輸氫質子和阻隔電子，確保電子從外電路傳輸的作用。換句話說，燃料電池單體的結構應確保燃料電池單體的陽極和陰極之間的氣密性，以防止氫氣或含氫氣的混合氣體直接流向陰極和防止氧氣或含氧氣的混合氣體直接流向陽極。同時，為了確保燃料電池單體的正常運行，其陽極和陰極還應分別相對于外界環境密封，以防止氣體泄漏至外界環境中。另外，質子交換膜也是膜電極組件中最貴、最脆弱的部件，容易損壞。

申請號為CN202011477006.X的中國發明專利公開了一種質子交換膜燃料電池新型膜電極結構的制備方法，其中該發明專利提供的膜電極結構在制備時，需將保護邊框貼在質子交換膜的兩側后熱壓和將封裝邊框分別貼在陽極氣體擴散層和陰極擴散層后，再次熱壓。換句話說，該發明專利通過兩側保護邊框與質子交換膜的熱壓和兩側封裝邊框與氣體擴散層的熱壓，以確保質子交換膜燃料電池新型膜電極結構的氣密性。該發明專利公開的質子交換膜燃料電池新型膜電極結構的制備方法具有諸多缺陷：首先，該發明專利公開的質子交換膜燃料電池新型膜電極結構的制備方法的工藝復雜，熱壓次數過多(至少兩次)，容易使質子交換膜的結構被破壞和導致膜電極組件的良品率降低。其次，保護邊框和質子交換膜一起熱壓時，需要將質子交換膜兩側的保護邊框對齊，以避免質子交換膜局部受力。然而，在實際應用中，要將質子交換膜兩側的保護邊框完全對齊，相當困難，此工藝步驟顯著降低膜電極組件的良品率。再次，該發明專利公開的質子交換膜燃料電池膜電極結構的制備方法制得的膜電極組件的兩端在燃料電池單體制備過程中，需要進一步的注膠以與相應的極板之間實現密封。然而，該發明專利提供的質子交換膜燃料電池膜電極的封裝邊框與保護邊框之間存在縫隙，影響注膠密封效果。最后，在燃料電池單體制備和進一步注膠密封時，該發明專利提供的質子交換膜燃料電池膜電極的保護邊框和質子交換膜之間的密封可能會受到影響。

申請號為CN201680017562.4的中國發明專利公開了一種用于固態聚合物電解質燃料電池的密封件，其中該發明專利公開的密封膜電極組件的方法通過設置圍繞膜電極組件外圍的框架，然后通過框架上的通孔將流動性密封材料注入和實現密封。該發明專利公開的密封膜電極組件的方法具有諸多缺陷：首先，該發明專利公開的密封膜電極組件的方法先將框架與質子交換膜粘合(或熱壓、壓合)在一起，然后再注膠密封，注膠過程容易降低框架與質子交換膜之間的粘合強度。其次，質子交換膜兩側均設有框架且兩側框架需要對齊。再次，流體密封材料通過框架上的通孔注入密封區34b，然而在注膠過程中，流動的密封材料需要被施加相當大的壓力，從而使密封材料很容易從所述通孔的位置被擠壓至兩側的框架之間。最后，若因注膠不合格而出現不合格品，由于框架與質子交換膜已預先熱壓成型，導致質子交換膜無法回收和再利用。因此，在無法保證較高的注膠良品率的情況下，該方法成本較高。