CN1669170A - 有密封表面的燃料电池膜电极组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有垫圈的燃料电池膜电极组件，它包含：聚合物电解质膜、阴极和阳极催化剂层、阴极和阳极侧流体输送层、阴极侧和阳极侧垫圈，其中垫圈用的是弹性垫圈材料，每个垫圈的弹性材料渗嵌在相应流体输送层的外边缘部分，每个垫圈至少有一部分接触面上具有突起脊状微结构接触图案。本发明含有垫圈的燃料电池膜电极组件还包含刚性、非弹性阳极侧和阴极侧垫片，它们位于至少部分垫圈和聚合物电解质膜之间。这种突起脊状微结构接触图案所包含的脊宜在连接点上相遇，且在任意一个连接点上相遇的脊不超过三个。所述突起脊状微结构接触图案可以是六边形或退化六边形。另一方面，本发明提供了制备含有垫圈的燃料电池膜电极组件的方法，具体说来是将MEA的各个部分粘合在一起，使所述未固化弹性垫圈材料渗嵌入每个流体输送层的外边缘部分，使未固化弹性垫圈材料基本固化，从而形成阳极侧垫圈和阴极侧垫圈。为了在每个垫圈的接触面上形成突起脊状微结构接触图案，可在台板和未固化弹性垫圈材料之间放置图案版，该图案版具有与突起脊状微结构接触图案相反的凹形图案。
Description
发明领域
本发明涉及用于燃料电池，如氢燃料电池的膜电极组件(MEA)，还涉及它们的制造方法。MEA有一个整体垫圈或密封圈，这些垫圈具有微结构密封表面，通常为六边形或退化六边形。
发明背景
美国专利2001/0019790和2001/0019791介绍的一种燃料电池包含多瓣垫圈，可模塑到聚合物电解质膜上。
美国专利6337120介绍了形成槽形片材的垫圈。
美国专利6261711介绍了燃料电池用的密封圈，它包含的垫圈位于燃料电池流板里的凹槽内。
美国专利6159628介绍的燃料电池有一些多孔基底，它们周边渗活灵活现了一种在热塑性材料。
美国专利6080503介绍的燃料电池中，MEA黏着在一个或多个隔板上。
美国专利6057054在某些实施方式中介绍了一种MEA，它含有共面聚合物电解质膜和多孔电极层，多孔电解层中有密封材料，如渗嵌在其中的硅氧烷。在其他实施方式中，该专利介绍的MEA含有的密封材料渗嵌在多孔电极层中，密封圈延伸到MEA之外。密封圈可具有肋状和横肋状图案。
美国专利5928807介绍的聚合物电解质燃料电池中有弹性、可发生塑性形变的导电石墨密封圈。
美国专利5464700介绍了一种燃料电池膜电极组件(MEA)用的垫圈系统，旨在尽可能减少燃料电池中聚合物电解质膜材料的量，具体方法是在周缘采用垫圈材料，而不是聚合物电解质膜材料。
美国专利5441621介绍了燃料电池用的密封表面，它具有“交叉脊”图案，特别是形成方形电池的“交叉脊”图案。该专利介绍了采用交叉脊密封表面的刚性电池框架。
美国专利5264299介绍了用于MEA的多孔支撑体，其边缘部分填有弹性材料。
美国专利4721555介绍了可插在电解槽的电极框架件之间的固体密封组件。该专利介绍了含有内隔板的电解槽，如图17和18所示的有色碱性电池；还介绍了没有内隔板的电解槽，如氯酸盐电解槽。图8和9介绍了六边形图案。
发明概述
简言之，本发明提供了一种装有垫圈的燃料电池膜电极组件，它包含：a)聚合物电解质膜；b)一层阳极催化剂；c)一层阴极催化剂；d)阳极侧流体输送层；e)阴极侧流体输送层；f)阳极侧垫圈；g)阴极侧垫圈；这两个垫圈是弹性垫圈材料；每个垫圈的弹性材料渗嵌在相应流体输送层的外边缘部分；每个垫圈至少有一部分接触面上具有突起脊状微结构接触图案。每个垫圈的外周缘通常与聚合物电解质膜的外周缘共面。本发明含垫圈的燃料电池膜电极还可包含：h)刚性、非弹性阳极侧垫片，位于至少部分阳极侧垫圈和聚合物电解质膜之间；j)刚性、非弹性阴极侧垫片，位于至少部分所述阴极侧垫圈和聚合物电解质膜之间。垫片的外周缘可与聚合物电解质膜的外周缘共面。突起脊状微结构接触图案所包含的脊在连接点上相遇，且在任意一个连接点上相遇的脊不超过三个。这种突起脊状微结构接触图案可以是六边形或退化六边形。
另一方面，本发明提供了制备含有垫圈的燃料电池膜电极组件的方法，具体说来是在一台压机的两个台板之间放置：a)阳极侧流体输送层；b)一层阳极催化剂材料；c)聚合物电解质膜，它含有一个带外边缘部分的阳极面和一个带外边缘部分的阴极面；d)一层阴极催化剂材料；e)阴极侧流体输送层；然后在聚合物电解质膜正负两极的外边缘部分施加未固化弹性垫圈材料；加热加压，同时将MEA各部分粘合在一起，使所述未固化弹性垫圈材料渗嵌在相应流体输送层的外边缘部分，使未固化弹性垫圈材料基本固化，从而形成阳极侧垫圈和阴极侧垫圈。为在每个垫圈的接触面上形成突起脊状微结构接触图案，可在所述压机的一个或两个台板和未固化弹性垫圈材料之间放置图案版，该图案版具有与突起脊状微结构接触图案相反的凹形图案。这样形成的MEA边缘一般可用任何合适的方法修整，使每个垫圈的外周缘与PEM的外周缘共面。
本领域未曾见诸报道但本发明提供的是具有整体微结构的垫圈或密封圈的膜电极组件，所述垫圈或密封圈与聚合物电解质膜共面，并渗嵌在流体输送层中，这些流体输送层与聚合物电解质膜不共面；具体的是，所述密封圈具有六边形或退化六边形分布的突起脊。
在此申请中：
“微结构”用来描述脊的图案时，是指基本上由宽度小于1000微米，更宜小于600微米，最好小于300微米，深度(高度)不超过250微米，更宜小于150微米，最好小于100微米的脊组成。
“六边形图案”是指基本上满足这样一种规律的脊图案，即在一点上相遇的脊不超过三条，该图案主要包含有6个边(六边形)的小室，如图3a和3b所示，而在边缘区域可包含不完整的小室。
“退化六边形”是指基本上满足这样一种规律的脊图案，即在一点上相遇的脊不超过三条，它主要包含由6个边(六边形)的小室通过使两个或多个连续边平行而演化来的3、4或5个边的小室，如图4a和4b所示，而在边缘区域可包含不完整的小室。
“整体垫圈”用来描述MEA时，是指连接在MEA的聚合物电解质膜上、MEA的流体输送层上或同时连接在这两者上的垫圈，最一般是这样一种垫圈，它所用的垫圈材料渗嵌在MEA的流体输送层中。
本发明的优点是，所提供的MEA含有适用于燃料电池的改进型整体密封圈或垫圈，它们可在低密封力作用下对耐压性低的配件形成密封，同时压缩率具有急停的特点(压缩率急剧减小)，从而防止过度压缩。本发明的另一个优点是，在所提供的MEA中，PEM在两个面上完全受到FTL、垫圈或这两者的保护和机械支撑，因此可以采用更薄的PEM。
附图简述
图1是本发明膜电极组件边缘部分的截面示意图。
图2是本发明膜电极组件边缘部分的截面示意图。
图3a和3b是可用于本发明的六边形图案。
图4a和4b是可用于本发明的退化六边形图案。
图5是微结构垫圈材料(A)和作比较的非微结构垫圈材料(B)的压缩率-外加压力的关系图。
优选实施方式详述
本发明提供了含有整体微结构垫圈或密封圈的膜电极组件，其优点是所述垫圈或密封圈可在低密封力作用下对耐压性低的配件形成密封，同时压缩率具有急停的特点，从而防止过度压缩。
膜电极组件(MEA)是质子交换膜燃料电池，如氢燃料电池的中心部件。燃料电池是一种化学电池，燃料(如氢)和氧化剂(如氧)在催化剂作用下结合后，产生可加以利用的电流。典型的MEA中有聚合物电解质膜(PEM)(也称离子导电膜(ICM))，其功能是作为固体电解质。PEM的一个面与阳极电极层接触，另一面与阴极电极层接触。每个电极层都含有电化催化剂，通常是铂金属。流体输送层(FTL)是帮助气体进出阳极材料和阴极材料，同时传导电流。在典型的PEM燃料电池中，质子在阳极通过氢氧化形成，输送到阴极与氧反应，使电流在连接两个电极的外电路中流通。FTL也可称作气体扩散层(GDL)或扩散层/集流层(DCC)。阳极层和阴极层可在生产过程中安装在PEM或FTL上，只要它们在最终的MEA中位于PEM和FTL之间。
任何合适的PEM均可用于本发明。PEM的厚度一般小于50μm，更宜小于40μm，更宜小于30μm，最好约为25μm。PEM一般由聚合物电解质质组成，所述电解质是酸化氟聚合物，如Nafion(杜邦公司，Wilmington DE)和FlemionTM(Asahi玻璃有限公司，东京，日本)。适用于本发明的聚合物电解质质一般宜为四氟乙烯和一种或多种含氟酸化的共聚单体的共聚物。聚合物电解质质一般含有磺酸基。聚合物电解质质一般为Nafion。聚合物电解质质的酸当量一般为1200或更小，宜为1100或更小，更宜为1050或更小，最好约为1000。
任何合适的FTL都可用于本发明。典型的FTL由包含碳纤维的片材组成。FTL一般是碳纤维结构，选自机织和非织造碳纤维结构。适用于本发明的碳纤维结构可是：TorayTM碳纸、SpectraCarbTM碳纸、AFNTM非织造碳布、ZoltekTM碳布等。FTL可涂布或浸渍各种材料，包括碳颗粒涂敷、亲水处理和疏水处理，如涂布以聚四氟乙烯(PTFE)。
任何合适的催化剂都可用于本发明。一般采用碳载催化剂颗粒。典型的碳载催化剂颗粒是50-90wt％的碳和10-50wt％的催化剂金属，所述催化剂金属用于阴极的一般包是Pt，用于阳极的是重量比为2∶1的Pt和Ru。一般地，催化剂以催化剂浆液的形式施涂到PEM或FTL上。催化剂浆液一般包含聚合物电解质质材料，它可以与构成PEM的聚合物电解质质材料相同，也可以与之不同。聚合物电解质质一般是酸化氟聚合物，如Nafion(杜邦公司，Wilmington DE)和FlemionTM(Asahi玻璃有限公司，东京，日本)。可在本发明中用作浆液的聚合物电解质质一般宜为四氟乙烯和一种或多种含氟酸化共聚单体形成的共聚物。聚合物电解质质一般包含磺酸基。聚合物电解质质最好为Nafion。聚合物电解质质的酸当量一般为1200或更小，宜为1100或更小，更宜为1050或更小，最好约为1000。催化剂浆液一般是催化剂颗粒在聚合物电解质质中形成的分散液。浆液通常包含5-30wt％固体(即聚合物和催化剂)，更宜包含10-20wt％固体。电解质分散液通常为水分散液，它还可包含一元醇和多元醇，如甘油和乙二醇。水、醇和多元醇的含量可以调整，以改变浆液的流变性。浆液一般可包含0-50％一元醇和0-20％多元醇。此外，浆液可包含0-2％合适的分散剂。浆液一般在加热下搅拌形成，然后用稀释到具有可施涂的浓度。
催化剂可用任何合适的方法施涂到PEM或FTL上，包括手动方法和机械方法，如手刷、缺口棒涂、液压轴承模涂、线绕棒涂、液压轴承涂敷、狭槽进料刮涂、三辊涂敷或贴花转移。涂敷可一次完成或多次完成。
试看图1和2，本发明的MEA具有5个层，依次如下：阳极侧流体输送层(2)、一薄层阳极催化剂材料(未示出)、聚合物电解质膜(1)、一薄层阴极催化剂材料(未示出)和阴极侧流体输送层(3)。每个催化剂层与PEM和两个FTL之一接触。流体输送层(2、3)不延伸到聚合物电解质膜(1)的外边缘部分(6)。聚合物电解质膜(1)的外边缘部分(6)具有一定的宽度。一般地，催化剂层不延伸到它们各自的FTL(2、3)周缘以外。本发明的MEA还有个延伸到PEM(1)阳极侧外边缘部分(6)的阳极侧垫圈(10)，和有个延伸到PEM(1)阴极侧外边缘部分(6)的阴极侧垫圈(11)。每个垫圈(10、11)的外周缘(16、17)一般与PEM(1)的外周缘(7)共面。在另一种实施方式中，每个垫圈的外周缘延伸到PEM(1)外周缘(7)的外面。每个垫圈(10、11)有一个接触面(14、15)。每个接触面(14、15)至少有一部分具有突起脊状微结构接触图案(12、13)，下面对此有更详细的讨论。如下面将要讨论的，每个垫圈(10、11)用的是弹性垫圈材料。每个垫圈(10、11)的弹性材料渗嵌在相应FTL(2、3)的外边缘部分(4、5)。
本发明MEA的一个优点是，PEM在两个面上完全受到FTL、垫圈或这两者的保护和机械支撑。这样就可以采用更薄的PEM，其厚度通常小于30μm，更宜小于约25μm。
虽然图1和2均表示本发明MEA边缘的截面，但不难理解，本发明的MEA在两侧具有其他类似的边缘。垫圈可具有任何合适的宽度。垫圈宽度可绕着MEA圆周边变化。MEA的垫圈部分可适应垂直于MEA平面切割的孔。MEA的周边可具有任何合适的形状。
试看图2，本发明的一种实施方案还包括在阴极侧垫圈10下有个刚性、非弹性阳极垫片20，在阳极侧垫圈11下有个刚性、非弹性阴极垫片21。这两个垫片的作用是限制MEA的压缩。每个垫片(20、21)的厚度小于各FTL(2、3)厚度的90％。一般地，每个垫片(20、21)的外周(22、23)与PEM(1)的外周(7)共面。垫片可由任何合适的材料制备，该材料要在MEA的使用条件下呈惰性。垫片材料通常选自聚合物或陶瓷，包括聚酯如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和聚萘二酸乙二酯(PEN)、聚碳酸酯、高密度聚乙烯和玻璃纤维。垫片材料最好选自PET和PEN。
垫圈可由任何合适的弹性材料制备，包括橡胶、硅氧烷、热塑性弹性体和弹性体粘结剂。弹性垫圈材料一般选自橡胶，如乙烯-丙烯-二烯单体橡胶(EPDM橡胶)或丁基橡胶，或硅氧烷；最好是硅氧烷。弹性垫圈材料通常不导电。
突起脊状微结构接触图案所包含的脊一般在连接点上相遇，且在任意一个连接点上相遇的脊不超过三个。本发明的突起脊状微结构接触图案宜为六边形，包括图3a和3b所示图案，或退化六边形，包括图4a和4b所示图案。本发明突起脊状微结构接触图案宜由一些小室组成，以便将任何泄漏控制在局部，并防止其扩散。由小室组成的图案还允许在MEA的垫圈部分沿垂直于MEA平面的方向切出多个孔，而不会在孔之间打通连接通道。应当理解，本发明的接触面由压缩性不是很强的弹性材料形成，但它所形成的形状在压力作用下可发生变形，以便形成密封。接触图案较好为弹性材料在压力作用下迁移提供空间，哪怕在脊相遇的连接点上也是如此。在本发明的MEA中，由小室组成的图案里，脊的最大形变性通过将在任意一点相遇的脊限制在3条以内来维持，从几何角度看，这种结构的形变性最小。
脊状微结构接触图案中脊的自然宽度小于1000微米，更宜小于600微米，最好小于300微米，深度(高度)不超过250微米，更宜小于150微米，最好小于100微米。
本发明MEA可用任何合适的方法制备。本发明MEA较好用单步施加垫圈和粘结工艺制备，如下所述。
在本发明一个方法中，上面已经详细讨论过的以下各层位于压机的两个台板之间：1)阳极侧流体输送层；2)一层阳极催化剂材料；3)聚合物电解质膜，它具有一个带外边缘部分的阳极面和一个带外边缘部分的阴极面；4)一层阴极催化剂材料；5)阴极侧流体输送层。聚合物电解质膜的外边缘部分还可以放置阳极侧垫片和阴极侧垫片。然后在聚合物电解质膜正负两极的外边缘部分施加未固化的弹性垫圈材料。将压机的两个台板并合到一起，加热加压，以便同时将MEA各部分粘合在一起，并使所述未固化弹性垫圈材料渗嵌进入相应流体输送层的外边缘部分，且使未固化弹性垫圈材料基本固化，从而形成阳极侧垫圈和阴极侧垫圈。“基本固化”通常指固化到这样一种程度，即垫圈材料在不受外力作用时能够保持稳定的形状。更一般地，“基本固化”指大体完全固化。接着可再进行一次固化。合适的压力、温度和处理时间根据所用材料确定。压力通常在1-3MPa之间，更宜在1-2MPa之间，最好约为1.7MPa。温度通常为80-150℃，更宜为120-140℃，最好约为132℃。处理时间一般为1-15分钟，更宜为3-8分钟，最好约为5分钟。
这样形成的MEA边缘一般可用任何合适的方法修整，使每个垫圈的外周缘与PEM的外周缘共面。
为在每个垫圈的接触面上形成突起脊状微结构接触图案，可在所述压机的一个或两个台板和未固化弹性垫圈材料之间放置图案版，该图案版具有与突起脊状微结构接触图案相反的凹形图案。
本发明适用于燃料电池的生产和使用。
本发明的目标和优点将通过以下实施例进一步阐述，但这些实施例中所引用的具体材料和用量，以及其他条件和细节不对本发明构成不当限制。
实施例
分别测定了微结构垫圈材料(A)，如本发明MEA所用微结构垫圈材料，和作比较的非微结构垫圈材料(B)的压缩率与外加压力的关系。
两份样品均由双份液态硅氧烷橡胶(Dow CorningD98-55，Dow CorningCorporation，Midland，Michigan)制备。
样品A厚430微米(17mil)，其两个面上均有突起脊状微结构接触图案。微结构脊深130微米(5mil)，宽250微米(10mil)。突起脊状微结构接触图案基本上如图4b所示。脊之间的平均间距在每个小室的长边方向为970微米(38mil)，在每个小室的短边方向为840微米(33mil)。
样品B具有光滑表面，厚430微米(17mil)。
样品A和B的制备是搅拌两份硅氧烷，然后将混合物放置在两个微结构台板对(样品A)或两个平整台板(对样品B)之间，在132℃固化5分钟。
将样品放在压缩试验机中，该测试机是个压机，样品夹在其两个台板之间进行压缩，在指定压力下测定压缩率。该装置完全由计算机控制。用测压元件测定将两个台板压到一起所需的力。压缩率在若干外加压力值下测定。所得数据绘制成图5所示应力/应变曲线。
该曲线显示了本发明MEA中所用垫圈材料在低密封作用力下密封低耐受性配件的能力，其压缩率具有急停的特点，以此防止过度压缩。
由于样品A有微结构接触图案，它在低密封作用力下可获得明显的压缩效果。在比较样品B只能产生1％的压缩率的压力下，样品A的压缩率已可达到5％。
样品A的曲线表明，样品A的垫圈材料可在5-25％的压缩率下获得有效密封，而比较样品B的有效压缩率范围为1-3％。因此，在配合部件厚度发生变化时，样品A具有宽得多的适应性。
注意，当样品A的微重复脊受到压缩后，样品A和样品B的曲线的斜率就变得比较相似。压缩率的这种变化代表了一种压缩急停现象，这可用来保护容易压坏的MEA部件。
对于本领域的技术人员来说，不难看出本发明具有许多改进和替代形式，只要它们不背离本发明的范围和原理。应当理解，本发明不受上述示例性实施方式的限制。
Claims (48)
1.一种具有垫圈的燃料电池膜电极组件，它包含：
a)聚合物电解质膜，它有一个带外边缘部分的阳极面、一个带外边缘部分的阴极面以及外周缘；
b)一层阳极催化剂材料，它与所述聚合物电解质膜的至少一部分阳极面接触；
c)一层阴极催化剂材料，它与所述聚合物电解质膜的至少一部分阴极面接触；
d)带有外边缘部分的阳极侧流体输送层，所述阳极侧流体输送层与所述阳极催化剂材料层接触，所述阳极侧流体输送层不超出所述聚合物电解质膜的阳极侧的外边缘部分；
e)带有外边缘部分的阴极侧流体输送层，所述阴极侧流体输送层与所述阴极催化剂材料层接触，所述阴极侧流体输送层不超出所述聚合物电解质膜的阴极侧的外边缘部分；
f)超出所述聚合物电解质膜阳极侧外边缘部分的阳极侧垫圈，所述阳极侧垫圈具有接触面和外周缘；
g)超出所述聚合物电解质膜阴极侧外边缘部分的阴极侧垫圈，所述阴极侧垫圈具有接触面和外周缘；
其中垫圈用的是弹性垫圈材料；
每个垫圈的弹性材料渗嵌在相应流体输送层的外边缘部分中；
所述每个垫圈至少有一部分接触面上具有突起脊状微结构接触图案。
2.权利要求1所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于每个所述垫圈的外周缘与所述聚合物电解质膜的外周缘共面。
3.权利要求1所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于它还包含：
h)具有外周缘的刚性、非弹性阳极侧垫片，所述阳极侧垫片位于至少部分阳极侧垫圈和聚合物电解质膜之间，所述阳极侧垫片的厚度小于阳极侧流体输送层厚度的90％；
j)具有外周缘的刚性、非弹性阴极侧垫片，所述阴极侧垫片位于至少部分所述阴极侧垫圈和聚合物电解质膜之间，所述阴极侧垫片的厚度小于阴极侧流体输送层厚度的90％。
4.权利要求3所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述每个垫片的外周缘与聚合物电解质膜的外周缘共面。
5.权利要求1所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案所包含的脊在连接点上相遇，且在任意一个连接点上相遇的脊不超过三个。
6.权利要求5所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案是六边形。
7.权利要求5所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案是退化六边形。
8.权利要求2所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案所包含的脊在连接点上相遇，且在任意一个连接点上相遇的脊不超过三个。
9.权利要求8所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案是六边形。
10.权利要求8所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案是退化六边形。
11.权利要求3所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案所包含的脊在连接点上相遇，且在任意一个连接点上相遇的脊不超过三个。
12.权利要求11所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案是六边形。
13.权利要求11所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案是退化六边形。
14.权利要求4所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案所包含的脊在连接点上相遇，且在任意一个连接点上相遇的脊不超过三个。
15.权利要求14所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案是六边形。
16.权利要求14所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案是退化六边形。
17.权利要求5所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述微结构接触图案所含的脊宽不超过300微米，深不超过100微米。
18.权利要求8所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述微结构接触图案所含的脊宽不超过300微米，深不超过100微米。
19.权利要求11所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述微结构接触图案所含的脊宽不超过300微米，深不超过100微米。
20.权利要求12所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述微结构接触图案所含的脊宽不超过300微米，深不超过100微米。
21.权利要求5所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述弹性垫圈材料选自乙烯-丙烯-二烯单体橡胶(EPDM橡胶)、丁基橡胶和硅氧烷。
22.权利要求21所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述弹性垫圈材料是硅氧烷。
23.权利要求8所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述弹性垫圈材料选自乙烯-丙烯-二烯单体橡胶(EPDM橡胶)、丁基橡胶和硅氧烷。
24.权利要求23所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述弹性垫圈材料是硅氧烷。
25.权利要求11所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述弹性垫圈材料选自乙烯-丙烯-二烯单体橡胶(EPDM橡胶)、丁基橡胶和硅氧烷。
26.权利要求25所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述弹性垫圈材料是硅氧烷。
27.权利要求14所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述弹性垫圈材料选自乙烯-丙烯-二烯单体橡胶(EPDM橡胶)、丁基橡胶和硅氧烷。
28.权利要求27所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述弹性垫圈材料是硅氧烷。
29.权利要求5所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述聚合物电解质膜的厚度不超过30微米。
30.权利要求8所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述聚合物电解质膜的厚度不超过30微米。
31.权利要求11所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述聚合物电解质膜的厚度不超过30微米。
32.权利要求14所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述聚合物电解质膜的厚度不超过30微米。
33.权利要求5所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述流体输送层是碳纤维结构。
34.权利要求8所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述流体输送层是碳纤维结构。
35.权利要求11所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述流体输送层是碳纤维结构。
36.权利要求14所述含有垫圈的燃料电池膜电极组件，其特征在于所述流体输送层是碳纤维结构。
37.制备含有垫圈的燃料电池膜电极组件的方法，所述电极组件包含：
a)聚合物电解质膜，它有一个带外边缘部分的阳极面、一个带外边缘部分的阴极面以及外周缘；
b)一层阳极催化剂材料，它与所述聚合物电解质膜的至少一部分阳极面接触；
c)一层阴极催化剂材料，它与所述聚合物电解质膜的至少一部分阴极面接触；
d)带有外边缘部分的阳极侧流体输送层，所述阳极侧流体输送层与所述阳极催化剂材料层接触，所述阳极侧流体输送层不超出所述聚合物电解质膜的阳极侧的外边缘部分；
e)带有外边缘部分的阴极侧流体输送层，所述阴极侧流体输送层与所述阴极催化剂材料层接触，所述阴极侧流体输送层不超出所述聚合物电解质膜的阴极侧的外边缘部分；
f)超出所述聚合物电解质膜阳极侧外边缘部分的阳极侧垫圈，所述阳极侧垫圈具有接触面和外周缘；
g)超出所述聚合物电解质膜阴极侧外边缘部分的阴极侧垫圈，所述阴极侧垫圈具有接触面和外周缘；
其中每个垫圈用的是弹性材料渗嵌在各流体输送层的外边缘部分；
所述方法包括如下步骤：
i)在压机的两个台板之间放置：
1)阳极侧流体输送层；
2)一层阳极催化剂材料；
3)聚合物电解质膜，它具有一个带外边缘部分的阳极面和一个带外边缘部分的阴极面；
4)一层阴极催化剂材料；
5)阴极侧流体输送层；
ii)在所述聚合物电解质膜阳极的外边缘部分施加未固化的弹性垫圈材料；
iii)在所述聚合物电解质膜阴极的外边缘部分施加未固化的弹性垫圈材料；
iv)加热加压，使得
1)将i)1)、i)2)、i)3)、i)4)、i)5)各部分粘合在一起；
2)所述未固化弹性垫圈材料渗嵌入每个流体输送层的外边缘部分；
3)未固化弹性垫圈材料基本固化，从而形成阳极侧垫圈和阴极侧垫圈。
38.权利要求37所述方法，其特征在于步骤i)还包括在所述压机的两个台板之间放置：
6)具有外周缘的刚性、非弹性阳极侧垫片，所述阳极侧垫片位于至少部分阳极侧垫圈和聚合物电解质膜之间，所述阳极侧垫片的厚度小于阳极侧流体输送层厚度的90％；
7)具有外周缘的刚性、非弹性阴极侧垫片，所述阴极侧垫片位于至少部分所述阴极侧垫圈和聚合物电解质膜之间，所述阴极侧垫片的厚度小于阴极侧流体输送层厚度的90％。
39.权利要求37所述方法，其特征在于它还包括以下步骤：
v)修整步骤iv)所得含有垫圈的燃料电池膜电极组件的边缘，使所述每个垫圈的外周缘与所述聚合物电解质膜的外周缘共面。
40.权利要求38所述方法，其特征在于它还包括以下步骤：
v)修整步骤iv)所得含有垫圈的燃料电池膜电极组件的边缘，使所述每个垫圈的外周缘与所述聚合物电解质膜的外周缘共面。
41.权利要求37所述方法，其特征在于所述每个垫圈的至少部分接触面具有突起脊状微结构接触图案，它还包括以下步骤：
vi)在所述一个或两个台板与所述未固化弹性垫圈之间放置一个或两个图案版，该图案版具有与突起脊状微结构接触图案相反的凹形图案。
42.权利要求41所述方法，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案所包含的脊在连接点上相遇，且在任意一个连接点上相遇的脊不超过三个。
43.权利要求38所述方法，其特征在于所述每个垫圈的至少部分接触面具有突起脊状微结构接触图案，它还包括以下步骤：
vi)在所述一个或两个台板与所述未固化弹性垫圈之间放置一个或两个图案版，该图案版具有与突起脊状微结构接触图案相反的凹形图案。
44.权利要求43所述方法，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案所包含的脊在连接点上相遇，且在任意一个连接点上相遇的脊不超过三个。
45.权利要求39所述方法，其特征在于所述每个垫圈的至少部分接触面具有突起脊状微结构接触图案，它还包括以下步骤：
vi)在所述一个或两个台板与所述未固化弹性垫圈之间放置一个或两个图案版，该图案版具有与突起脊状微结构接触图案相反的凹形图案。
46.权利要求45所述方法，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案所包含的脊在连接点上相遇，且在任意一个连接点上相遇的脊不超过三个。
47.权利要求40所述方法，其特征在于所述每个垫圈的至少部分接触面具有突起脊状微结构接触图案，它还包括以下步骤：
vi)在所述一个或两个台板与所述未固化弹性垫圈之间放置一个或两个图案版，该图案版具有与突起脊状微结构接触图案相反的凹形图案。
48.权利要求47所述方法，其特征在于所述突起脊状微结构接触图案所包含的脊在连接点上相遇，且在任意一个连接点上相遇的脊不超过三个。
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