CN114420984B - 一种燃料电池膜电极组件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池膜电极组件的制作方法，具体包括以下步骤：将催化剂浆料涂覆在质子交换膜两侧得到具有催化层的燃料电池膜电极；在催化层的边缘处粘接密封胶带；制作具有阶梯结构的气体扩散层，气体扩散层包括依次层叠的微孔层和基底层，微孔层与基底层相对应的边缘之间的距离等于密封胶带的宽度，微孔层的厚度与密封胶带的厚度相同，基底层的长、宽尺寸与催化层的长、宽尺寸相同；在燃料电池膜电极两侧分别贴合密封边框，形成五合一组件；在五合一组件两侧分别设置气体扩散层，使气体扩散层的边缘与催化层的边缘对齐，压制形成七合一燃料电池膜电极组件。本发明解决了现有技术制作的膜电极组件存在反应区边缘厚度不均的问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种燃料电池膜电极组件的制作方法。
背景技术
膜电极组件(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心零部件，其性能与可靠性直接影响质子交换膜燃料电池的性能和寿命。膜电极七合一组件的制作过程一直是重点研究热点，由于各个组成部分尺寸不尽相同，气体扩散层在压合时及电堆组装过程中，一般会在活性区边缘增加一层保护膜，就导致膜电极组合后尤其是反应区边缘凹凸不平、厚度不均，从而导致局部应力过大，造成膜损伤，间接影响其耐久性，并且在电堆装配过程中，导致接触不良等现象。
随着车用燃料电池应用的不断拓展，对燃料电池的发电功率密度及成本的要求越来越高，为提升燃料电池的功率密度及降低MEA的成本，MEA在制作中，所使用的质子交换膜也变得越来越薄。为了使薄膜MEA的可靠性能够得到保证，需在MEA的结构设计和制造中有针对性的消除影响薄膜可靠性的问题。
发明内容
根据上述提出现有技术制作的膜电极组件存在反应区边缘厚度不均的技术问题，本发明提供了一种燃料电池膜电极组件的制作方法，通过将气体扩散层(GDL)设计成阶梯形式，使边缘部位的气体扩散层+密封胶带+CCM的厚度与MEA的中间部位气体扩散层+CCM的厚度接近或相同，通过这种处理可消除MEA成型时的受力不均，同时也可避免了电堆组装时的MEA的受力不均的问题。
本发明采用的技术手段如下：
一种燃料电池膜电极组件的制作方法，具体包括以下步骤：
将催化剂浆料涂覆在质子交换膜两侧得到具有阴、阳极催化层的燃料电池膜电极；
在催化层的边缘处粘接密封胶带，密封胶带的外边缘与催化层的边缘对齐；
采用丝网印刷技术制作具有阶梯结构的气体扩散层，气体扩散层包括依次层叠的微孔层和基底层，微孔层位于基底层的轮廓线内，且微孔层与基底层相对应的边缘之间的距离等于密封胶带的宽度，微孔层的厚度与密封胶带的厚度相同，基底层的长、宽尺寸与催化层的长、宽尺寸相同；
在已经使用密封胶带粘接的燃料电池膜电极两侧分别贴合冲裁好的密封边框，使密封边框的内边缘与催化层的边缘对齐，形成五合一组件；
在五合一组件两侧分别设置气体扩散层，使气体扩散层的外边缘与催化层的边缘对齐，将气体扩散层与五合一组件压制形成七合一燃料电池膜电极组件。
进一步地，采用狭缝涂布、超声喷涂或转印的方法将催化剂浆料均匀涂覆在质子交换膜上。
进一步地，密封胶带采用聚四氟乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜或聚醚醚酮薄膜。
进一步地，密封胶带厚度为10～60um，宽度为1～4mm，密封胶带内边缘距离催化层外边缘距离为1～4mm。
进一步地，气体扩散层厚度为150～250um；微孔层厚度为10～60um，微孔层边缘距离基底层边缘为1～4mm。
进一步地，密封边框的厚度为100～150um。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的燃料电池膜电极组件的制作方法，通过降低活性反应区边缘处与活性区区中间区域高度差，保证膜电极成型时受力一致，防止膜电极因局部应力过大，造成膜变薄的问题，因膜电极厚度一致性高，其在电堆装配时接触性更好，同时避免了因高温、组装力以及边缘处应力破损的风险。
基于上述理由本发明可在燃料电池膜电极制作领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述膜电极组件结构示意图。
图2为膜电极有效区经过有限元分析所得膜电极压制时受力示意图。
图3为膜电极极化曲线示意图。
图4为膜电极耐压实验对比示意图。
图中：1、质子交换膜；2、催化层；3、密封胶带；4、微孔层；5、基底层；6、密封边框。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种燃料电池膜电极组件的制作方法，具体包括以下步骤：
将催化剂浆料涂覆在质子交换膜1两侧得到具有阴、阳极催化层2的燃料电池膜电极CCM；
在催化层2的边缘处粘接密封胶带3，密封胶带3的外边缘与催化层2的边缘对齐，用于保护质子交换膜；
采用丝网印刷技术制作具有阶梯结构的气体扩散层，气体扩散层包括依次层叠的微孔层4和基底层5，微孔层4位于基底层5的轮廓线内，且微孔层4与基底层5相对应的边缘之间的距离等于密封胶带3的宽度，微孔层4的厚度与密封胶带3的厚度相同，基底层5的长、宽尺寸与催化层2的长、宽尺寸相同；
在已经使用密封胶带3粘接的燃料电池膜电极两侧分别贴合冲裁好的密封边框6，使密封边框6的内边缘与催化层的边缘对齐，形成五合一组件；
在五合一组件两侧分别设置气体扩散层，使气体扩散层的外边缘与催化层2的边缘对齐，即气体扩散层与催化层2能够完全交叠，将气体扩散层与五合一组件压制形成七合一燃料电池膜电极组件，采用上述方法制作得到的燃料电池膜电极组件的活性区内各层结构之间能够相互嵌合，没有高度凸起。
进一步地，采用狭缝涂布、超声喷涂或转印的方法将催化剂浆料均匀涂覆在质子交换膜1上。
进一步地，密封胶带3采用聚四氟乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜或聚醚醚酮薄膜。
进一步地，密封胶带3厚度为10～60um，宽度为1～4mm，密封胶带3内边缘距离催化层2外边缘距离为1～4mm。
进一步地，气体扩散层厚度为150～250um；微孔层4厚度为10～60um，微孔层4边缘距离基底层5边缘为1～4mm。
进一步地，密封边框6的厚度为100～150um。
对比例1
对比例1采用的燃料电池膜电极组件的制作方法与实施例1的区别仅在于气体扩散层不具有阶梯结构，微孔层和基底层的长、宽尺寸与催化层的长、宽尺寸相同。
对比例1与实施例1所使用的质子交换膜采用Gore全氟磺酸树脂膜，气体扩散层材料均采用常见商用材料。
分别采用实施例1和对比例1提供的燃料电池膜电极组件的制作方法制作燃料池膜电极组件，然后对两种膜电极组件分别进行性能测试，测试项目及测试结果对比情况如下：
(1)质子交换膜与催化层综合受力情况
对两种膜电极组件的中间活性区即质子交换膜与催化层进行有限元分析，模拟组装电堆时的压制压力受力情况分析，测试结果如图2所示，可以看出，实施例1中质子交换膜与催化层的受力更小，表明采用本发明所述方法制作的膜电极组件在电堆组装时对膜电极损伤更小，有效避免了膜电极因局部应力过大，造成膜变薄的问题，因采用本发明所述方法制作的膜电极组件厚度一致性高，使其在电堆装配时接触性更好，同时能够避免因高温、组装力以及边缘处应力破损的风险；
(2)性能测试
使用行业通用的燃料电池夹具测试两种膜电极组件的极化曲线，测试结果如图3所示，采用本发明所述方法不会影响膜电极组件的基本性能；
(3)耐压实验
对两种膜电极组件分别进行耐压实验，不断增加一侧氮气压力，在另一侧接入流量计测试膜电极的气体泄漏量，直到其完全破损，通过对比发现，采用本发明所述方法制作的膜电极组件表现出更好的耐压性能，可承受压力更大。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种燃料电池膜电极组件的制作方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
将催化剂浆料涂覆在质子交换膜两侧得到具有阴、阳极催化层的燃料电池膜电极；
在催化层的边缘处粘接密封胶带，密封胶带的外边缘与催化层的边缘对齐，用于保护质子交换膜；
采用丝网印刷技术制作具有阶梯结构的气体扩散层，气体扩散层包括依次层叠的微孔层和基底层，微孔层位于基底层的轮廓线内，且微孔层与基底层相对应的边缘之间的距离等于密封胶带的宽度，微孔层的厚度与密封胶带的厚度相同，基底层的长、宽尺寸与催化层的长、宽尺寸相同；
在已经使用密封胶带粘接的燃料电池膜电极两侧分别贴合冲裁好的密封边框，使密封边框的内边缘与催化层的边缘对齐，形成五合一组件；
在五合一组件两侧分别设置气体扩散层，使气体扩散层的外边缘与催化层的边缘对齐，将气体扩散层与五合一组件压制形成七合一燃料电池膜电极组件，燃料电池膜电极组件的活性区内各层结构之间能够相互嵌合，没有高度凸起。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极组件的制作方法，其特征在于，采用狭缝涂布、超声喷涂或转印的方法将催化剂浆料均匀涂覆在质子交换膜上。
3.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极组件的制作方法，其特征在于，密封胶带采用聚四氟乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜或聚醚醚酮薄膜。
4.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极组件的制作方法，其特征在于，密封胶带厚度为10～60um，宽度为1～4mm，密封胶带内边缘距离催化层外边缘距离为1～4mm。
5.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极组件的制作方法，其特征在于，气体扩散层厚度为150～250um；微孔层厚度为10～60um，微孔层边缘距离基底层边缘为1～4mm。
6.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极组件的制作方法，其特征在于，密封边框的厚度为100～150um。
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