一种燃料电池膜电极组件及其制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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，本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池膜电极组件及其制备方法
本专利技术属于燃料电池设计与制造
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术有益性：本专利技术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，本专利技术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是本专利技术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是本专利技术密封边框结构层示意图；图4是本专利技术阴极侧密封边框的平面结构示意图；图5是本专利技术阴极与阳极密封边框重叠结构平面示意图；图6是本专利技术五合一组件装配定位平面示意图；图7是本专利技术五合一组件装配定位截面示意图；图8是本专利技术的制备方法流程图。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。具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒正龙，李果林，陈孟杰，刘征，陈启章，吴炘懋，
申请(专利权)人：中自环保科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51