CN111834655A - 一种燃料电池膜电极组件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池膜电极组件及其制备方法。由催化膜电极、两极密封边框、两极气体扩散层封装构成叠层结构；各边框平面设置位于中心的并匹配对应的通孔、两端的多个介质通道；阴极通孔边缘线向外侧大于阳极通孔边缘线0.5～3mm形成错位结构；催化膜电极封装边缘被各边框密封覆盖1～5mm；边框及其通孔平面形状相同或匹配对应，并采用联接件定位固定。本发明膜电极组件的定位结构设计简洁实用，减少了对定位工装的需求，易于实现柔性生产；两极密封边框中间通孔形成阶梯密封的错位结构，减少了应力的集中；基于边框结构和粘接性能的设计，本发明制备方法中对密封边框的热压压力更低，热压时间短，加工效率更高，加工质量得到进一步提高。

Description

一种燃料电池膜电极组件及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池设计与制造技术领域，尤其属于燃料电池中膜电极组件的设计制造技术，特别涉及一种七合一的膜电极组件的设计与制备方法。
背景技术
燃料电池电堆主要由端板、绝缘板、集流板、双极板、密封件、膜电极组件、紧固螺栓组成；其中为了装配的便利性，膜电极组件由催化膜电极、两极密封边框、气体扩散层等零件构成整体组件后装配。
催化膜电极(CCM)又可以称为三合一组件，由质子交换膜(PEM)和一侧的阳极催化层、另一侧的阴极催化层构成。
膜电极组件(MEA)又可以称为七合一组件；所谓三合一组件的催化膜电极(CCM)装配上阳极侧密封边框、阴极侧密封边框后形成五合一组件，在五合一组件的基础上分别装配上阳极侧气体扩散层、阴极侧气体扩散层后形成所谓七合一组件的膜电极组件(MEA)。
膜电极组件的两密封边框上开有与双极板相对应的通孔，用于参与反应的空气、氢气、冷却介质等物料流通；同时两密封边框与三合一的催化膜电极(CCM)接触部分形成有效的粘接密封，防止反应物料的泄漏。
现有技术中针对膜电极组件(MEA)的封装技术研究较多。如中国申请201811194333.7公布了一种燃料电池膜电极封装生产工艺，其主要通过预处理将阳极侧密封边框和阴极侧密封边框进行对位后侧向热封，然后将CCM置于初步侧向热封的两层密封边框中进行热压组合，形成五合一的催化膜电极组件，进一步可形成MEA组件。通过先将密封边框进行侧向热封再进行五合一的压合，工艺过程相对复杂。
中国申请201711336320.4公布了一种MEA组件制备方法，在切割出两个完全相同的密封边框后，裁剪出催化膜电极，然后将密封边框、催化膜电极、密封边框顺序层叠粘合。上下密封边框相同，可能造成应力集中，同时未涉及到气体扩散层的定位。
中国申请200580032435.3公布了薄膜元件被插在膜和电催化剂层之间的膜电极组件，制作过程中利用230～250psi的热压压力和150-190℃的温度将MEA的部件层压到一起。热压压力相对较大，且温度高。
现有技术在膜电极组件设计和加工存在一些不足，如：膜电组件各部件定位对齐难度高，不适合柔性生产；工艺复杂，现有的膜电极组件制备过程施加的压力大，热压时间长，效率低。
发明内容
本发明根据现有膜电极组件设计和制备方法的不足公开了一种燃料电池膜电极组件及其制备方法。本发明目的是提供一种能够实现七合一的膜电极组件的柔性生产、效率更高、加工性能更好的膜电极组件结构及其制备方法。
本发明通过以下技术方案实现：
燃料电池膜电极组件，由催化膜电极、阴极侧密封边框、阳极侧密封边框、阳极侧气体扩散层、阴极侧气体扩散层封装构成叠层结构；其特征在于：
阴极侧密封边框平面设置位于中心的阴极通孔、两端的多个阴极介质通道；阳极侧密封边框平面设置位于中心的阳极通孔、两端的多个阳极介质通道；其中，阴极介质通道与阳极介质通道在叠层结构中一对一匹配相同布置，阴极通孔边缘线向外侧大于阳极通孔边缘线0.5～3mm形成错位结构；
催化膜电极封装位于阴极侧密封边框与阳极侧密封边框之间、中心于通孔位置、边缘被各边框密封覆盖1～5mm；阴极侧气体扩散层通过粘接固定覆盖阴极通孔，阳极侧气体扩散层通过粘接固定覆盖阳极通孔。
本发明阴极侧密封边框和阳极侧密封边框平面结构可以为矩形边框或其他多边形或其他几何平面形状，阴极通孔和阳极通孔与边框形状相同并匹配；如，阴极侧密封边框和阳极侧密封边框平面结构为圆形，阴极通孔和阳极通孔也均为圆形；且中心通孔的任何结构中，阴极通孔和阳极通孔边缘线均形成光滑过渡的圆弧结构，如，在阴极侧密封边框和阳极侧密封边框为矩形形状时，阴极通孔和阳极通孔均为矩形通孔，矩形通孔的四角为过渡圆弧结构。
进一步所述阴极侧密封边框与阳极侧密封边框叠层结构的外侧边缘通过工装联接件联接固定。
针对矩形边框所述工装联接件为将矩形边框的相邻两边联接固定的直角连接件。
所述阴极侧密封边框与阳极侧密封边框由截面均包括三层预制层的平板切割制成，三层预制层包括：上层基材：包括PET薄膜或PI薄膜；中层胶粘剂层：为阻燃型胶粘剂涂覆制成；下层为离型层：为离型纸或离型膜覆盖制成；封装构成的叠层结构是去除离型层后粘接形成的多层结构。
本发明还公开了上述燃料电池膜电极组件制备方法：包括以下步骤：
S100，制备催化膜电极；
S200，在密封边框材料上分别裁剪出阴极侧密封边框、阳极侧密封边框，裁剪完成后去除离型层；
S300，在整张气体扩散层上裁剪出阳极侧气体扩散层、阴极侧气体扩散层；
S400，在热压机或层压机的加热平台上，依次放置阴极侧密封边框，催化膜电极，阳极侧密封边框；两端通过一对工装联接件靠紧上、下两极密封边框的相邻两侧面，使两密封边框精准对齐；调整催化膜电极使得催化膜电极居中位于两密封边框的通孔处，热压封装；
S500，对步骤S400获得的的五合一组件进行质量检测，包括：进行气密性和粘接质量检测；
S600，将阴极侧气体扩散层的边缘涂抹微量胶水，至少涂抹两边；然后将阴极侧气体扩散层置于阴极侧密度边框的阴极通孔中，利用阴极通孔对阴极侧气体扩散层进行定位；对涂抹胶水部分进行施压直到粘合；同样方法将阳极侧气体扩散层粘合固定在阳极通孔中，对组件在热压机或层压机中进行热压，得到膜电极组件；
S700，对膜电极组件进行质量检测，包括放电性能、气密性检测，检测合格完成膜电极组件的制备。
所述步骤S400热压封装参数设定为：热压机或层压机温度范围80～120℃，压力范围1～5kg/cm2，压合时间8～20S。
本发明有益性：本发明膜电极组件的定位结构设计简洁实用，利用工装联接件实现了上下密封边框的定位，利用密封边框的中间通孔实现对应气体扩散层的定位，减少了对复杂定位工装的需求，易于实现柔性生产。两极密封边框中间通孔形成阶梯密封，在催化膜电极的两侧错位，减少了应力的集中，中间通孔的光滑过渡边缘或圆角结构有效分散局部的应力集中，提高膜电极组件的机械可靠性和寿命。基于边框结构和粘接性能的设计，本发明制备方法中对密封边框的热压压力更低，热压时间短，加工效率更高，加工质量得到进一步提高。
附图说明
图1是本发明膜电极组件横截面示意图；
图2是图1中A部放大示意图；
图3是本发明密封边框结构层示意图；
图4是本发明阴极侧密封边框的平面结构示意图；
图5是本发明阴极与阳极密封边框重叠结构平面示意图；
图6是本发明五合一组件装配定位平面示意图；
图7是本发明五合一组件装配定位截面示意图；
图8是本发明的制备方法流程图。
图中：1是催化膜电极，2是阴极侧密封边框，21是阴极介质通道，22是阴极通孔，3是阳极侧密封边框，31是阳极介质通道，32是阳极通孔32，4是阳极侧气体扩散层，5是阴极侧气体扩散层，6是工装联接件，7是错位结构，R是圆弧，J是基材，Z是胶粘剂层，L是离型层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。
结合附图。
如图所示，本发明的燃料电池膜电极组件将带胶粘剂层Z的薄膜基材J裁剪成两种形状相同、中心通孔具有尺寸差异的密封边框，通过外部定位实现两极密封边框的精准对齐，热压形成五合一组件，在五合一组件的基础上粘合气体扩散层并压紧，制备出七合一膜电极组件。胶粘剂层Z在一定温度、压力条件下熔解并粘合催化膜电极1，将密封边框、催化膜电极1粘为一体并形成密封。
本发明的膜电极组件主要由催化膜电极1、阴极侧密封边框2、阳极侧密封边框3、阳极侧气体扩散层4、阴极侧气体扩散层5构成。
阴极侧密封边框2上设有多个参与反应的阴极介质通道21，至少包括两个氢气通道，根据膜电极组件的使用场所确定,还可以包括空气/氧气通道、冷却介质通道。中间区域设有阴极通孔22，用于放置催化膜电极1，阴极通孔22小于催化膜电极1的尺寸，重叠后每边可覆盖催化膜电极1边缘1-5mm。
本例阴极侧密封边框2、阳极侧密封边框3、阴极通孔22、阳极通孔32为矩形结构，阴极通孔22矩形四个角处设有圆角R。根据设计需要阴极侧密封边框2、阳极侧密封边框3、阴极通孔22、阳极通孔32还可以是圆形、椭圆形等电堆设计需要的几何平面结构，其中，阴极通孔22、阳极通孔32边缘为连续光滑的结构。
阳极侧密封边框3上设有与阴极侧密封边框2相对应的阳极介质通道31和阳极通孔32、圆角R。阴极介质通道21、阳极介质通道31的尺寸一致；阳极通孔32的尺寸与阴极通孔22的尺寸不一致，两者重叠后，每边有0.5-3mm的错位，形成错位结构7；阳极通孔32与阴极通孔22上的圆弧R一致。
如图2所示，在催化膜电极1两表面的阴极侧密封边框2与阳极侧密封边框3、阳极侧气体扩散层4与阴极侧气体扩散层5形成错位结构7。
常规封装中，密封边框上下齐平，无论气体扩散层是覆盖在密封边框上或者置于密封边框的通孔内，边缘处应力都是集中的，因为应力都是传递到催化膜电极上，密封边框处的应力传递为线-面-线结构；本发明密封边框采用错位结构后，配合对应的通孔内的气体扩散层，密封边框处的应力传递为线-面-面结构，因此分散并减少了应力集中。
本发明针对矩形等非光滑边缘的中心通孔结构采用光滑连续过渡边缘设计，如圆角或者圆弧过渡；圆角或者圆弧过渡的应力相对直角等非光滑过渡，由于直角等非光滑过渡的顶点应力相对最集中，容易出现密封等损坏，造成组件损坏；本发明通过圆弧等光滑过渡结构，应力分散到整个圆弧线上，减少了应力集中。
阴极侧密封边框2、阳极侧密封边框3由相同材料裁剪而成，如图3所示，边框层结构材料为三层，包括上层基材J：可以采用PET薄膜、PI薄膜；中层胶粘剂层Z：为低流动性的阻燃型胶粘剂，属热熔胶但不可重复加热使用；下层为离型层L：可以是离型纸或者离型膜，对胶粘剂层起保护作用，减少环境中粉尘附着在胶粘剂层上。阴极侧密封边框2、阳极侧密封边框3与催化膜电极1封装构成叠层结构时，需去除离型层L后进行热压封装。
阳极侧气体扩散层4，形状尺寸与阳极侧密封边框3中的阳极通孔32一致，两者重叠可形成过渡配合。
阴极侧气体扩散层5，形状尺寸与阴极侧密封边框2中的阴极通孔22一致，两者重叠可形成过渡配合。
如图6所示，本例工装联接件6为直角形，优先考虑带有磁性，且厚度大于MEA组件的厚度，在制备过程中对阴极密封边框2、阳极密封边框3起定位作用。通过工装联接件6放置在工作台上，组合时，只需要将各密封边框对应的边移动到工装联接件6对应的边上，贴合靠紧即可，定位方便。
制备方法包括以下步骤：
S100，首先制备三合一的催化膜电极1。
S200，根据设计，在整张密封边框材料上分别裁剪出阴极侧密封边框2、阳极侧密封边框3；裁剪完成后去除离型层L。
S300，根据设计，在整张气体扩散层上裁剪出阳极侧气体扩散层4、阴极侧气体扩散层5。
S400，如附图6所示，在热压机或者层压机中的加热平台上，依次放置阴极侧密封边框2，催化膜电极1，阳极侧密封边框3；然后通过一对工装联接件6，靠紧上、下两极密封边框的相邻两侧面，使上、下密封边框精准对齐。调整催化膜电极1，使得催化膜电极1居中位于两密封边框的通孔处。设定热压机/层压机温度范围80-120℃，压力范围1-5kg/cm2，压合时间8-20S。为减少热压过程产生气泡，优选考虑在可提供真空环境的层压机中进行。热压后得到如附图7所示的五合一组件。
S500，对步骤S400获得的的五合一组件进行质量检测，包括：进行气密性和粘接效果检测。检测合格后，进行下一步。
S600，将阴极侧气体扩散层5的边缘涂抹微量胶水，至少涂抹两边；然后将阴极侧气体扩散层5置于阴极侧密度边框2的阴极通孔22中，放置过程中利用密封边框的通孔对气体扩散层进行定位；对涂抹胶水部分进行施压直到粘合；翻转带阴极侧气体扩散层5的组件，对应的将阳极侧气体扩散层4的边缘涂抹微量胶水，至少涂抹两边；然后将阳极侧气体扩散层4置于阳极侧密度边框3的阳极通孔32中，放置过程中利用密封边框的通孔对气体扩散层进行定位；对涂抹胶水部分进行施压直到粘合。初步形成七合一组件，对七合一组件在热压机或层压机中进行热压，热压参数参照现有公开的方法即可。热压后得到如图1所示的MEA组件。
S700，对如图1所示的MEA组件进行质量检测，进行放电性能、气密性等，检测合格后，完成膜电极组件的制备。
下面以一具体实施例进行说明：
1、裁剪密封边框，放置于上侧的阳极密封边框3的中间阳极通孔32比放置于下侧的阴极密封边框2的中间阴极通孔22的各边长度少1mm；即重叠装配后，两者中间通孔的各对应边错开1mm，具体为上侧阳极通孔32完全盖住下侧阴极通孔22；圆角R匹配对应。
2、采用的两极密封边框参数如下：PET膜厚度50um，胶粘剂层厚度30um，离型膜厚度38um。
2、CCM各边的长度比下侧阴极密封边框2的中间阴极通孔22的各边长度多2mm；即两者各对应面有2mm的重叠区域。
3、五合一组件热压过程中，采用热压机进行；将通过直角结构的工装联接件6对上下侧密封边框进行限位和使之对齐后的组件在90℃，3.8kg/cm2条件下热压10S。
4、对五合一组件进行试漏检测，检测合格后；将气体扩散层的四个角涂抹微量胶水，然后通过密封边框中间的通孔定位后进行匹配装配；涂抹有胶水处的对应位置按压10S；形成初始状态的七合一组件。
5、对七合一组件在92℃，5.4kg/cm2的条件下热压2min，完成最终状态的MEA组件。
6、对MEA组件进行开路电压和气密性检测，检测结果正常，完成MEA组件的制备。

Claims (8)

1.一种燃料电池膜电极组件，由催化膜电极、阴极侧密封边框、阳极侧密封边框、阳极侧气体扩散层、阴极侧气体扩散层封装构成叠层结构；其特征在于：
阴极侧密封边框平面设置位于中心的阴极通孔、两端的多个阴极介质通道；阳极侧密封边框平面设置位于中心的阳极通孔、两端的多个阳极介质通道；其中，阴极介质通道与阳极介质通道在叠层结构中一对一匹配相同布置，阴极通孔边缘线向外侧大于阳极通孔边缘线0.5～3mm形成错位结构；
催化膜电极封装位于阴极侧密封边框与阳极侧密封边框之间、中心于通孔位置、边缘被各边框密封覆盖1～5mm；阴极侧气体扩散层通过粘接固定覆盖阴极通孔，阳极侧气体扩散层通过粘接固定覆盖阳极通孔。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极组件，其特征在于：所述阴极侧密封边框和阳极侧密封边框平面成任意几何形状，阴极通孔和阳极通孔均与边框形状相同并匹配，且通孔边线成光滑连续的圆弧结构。
3.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极组件，其特征在于：所述阴极侧密封边框和阳极侧密封边框为矩形边框，阴极通孔和阳极通孔均为矩形通孔，矩形通孔的四角为圆弧过渡结构。
4.根据权利要求1或2或3所述的燃料电池膜电极组件，其特征在于：所述阴极侧密封边框与阳极侧密封边框叠层结构的外侧边缘通过工装联接件联接固定。
5.根据权利要求4所述的燃料电池膜电极组件，其特征在于：所述阴极侧密封边框和阳极侧密封边框为矩形边框时工装联接件为用于将矩形边框的相邻两边联接固定的直角连接件。
6.根据权利要求4所述的燃料电池膜电极组件，其特征在于：所述阴极侧密封边框与阳极侧密封边框由截面均包括三层预制层的平板切割制成，三层预制层包括：上层基材：包括PET薄膜或PI薄膜；中层胶粘剂层：为阻燃型胶粘剂涂覆制成；下层为离型层：为离型纸或离型膜覆盖制成；封装构成的叠层结构是去除离型层后粘接形成的多层结构。
7.一种燃料电池膜电极组件制备方法：其特征在于包括以下步骤：
S100，制备催化膜电极；
S200，在密封边框材料上分别裁剪出阴极侧密封边框、阳极侧密封边框，裁剪完成后去除离型层；
S300，在整张气体扩散层上裁剪出阳极侧气体扩散层、阴极侧气体扩散层；
S400，在热压机或层压机的加热平台上，依次放置阴极侧密封边框，催化膜电极，阳极侧密封边框；两端通过一对工装联接件靠紧上、下两极密封边框的相邻两侧面，使两密封边框精准对齐；调整催化膜电极使得催化膜电极居中位于两密封边框的通孔处，热压封装；
S500，对步骤S400获得的的五合一组件进行质量检测，包括：进行气密性和粘接质量检测；
S600，将阴极侧气体扩散层的边缘涂抹微量胶水，至少涂抹两边；然后将阴极侧气体扩散层置于阴极侧密度边框的阴极通孔中，利用阴极通孔对阴极侧气体扩散层进行定位；对涂抹胶水部分进行施压直到粘合；同样方法将阳极侧气体扩散层粘合固定在阳极通孔中，对组件在热压机或层压机中进行热压，得到膜电极组件；
S700，对膜电极组件进行质量检测，包括放电性能、气密性检测，检测合格完成膜电极组件的制备。
8.根据权利要求7所述燃料电池膜电极组件制备方法：其特征在于：所述步骤S400热压封装参数设定为：热压机或层压机温度范围80～120℃，压力范围1～5kg/cm2，压合时间8～20S。
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