阅读说明：本技术 一种质子交换膜燃料电池单体电池及其电堆的制造方法 (Single cell of proton exchange membrane fuel cell and manufacturing method of electric pile thereof ) 是由 张义煌 蒋利娟 刘敏 陆濛洲 陈杰 李刚 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明属于燃料电池技术领域,具体涉及一种质子交换膜燃料电池单体电池及其电堆的制造方法。本发明包括以下步骤：(1)准备流道隔离板；(2)将阳极气体扩散层、阴极气体扩散层、催化剂涂覆膜的外周边施上液态胶黏剂,将三者贴合在一起,密封封装,形成无加强边框的MEA；(3)将封装好的无加强边框的MEA贴合到流道隔离板的一侧,密封封装形成单体电池；(4)在流道隔离板无MEA的一侧贴上密封垫或密封圈；(5)多个单体电池叠加形成电堆。本发明的膜-电极-气体扩散层组件通过胶黏剂固定在流道隔离板上,能够解决燃料电池组堆过程中MEA与流道隔离板的错位问题,提高电堆一致性,减少MEA护边在电堆内长时间工作开裂问题,保证电堆性能稳定。(The invention belongs to the technical field of fuel cells, and particularly relates to a single cell of a proton exchange membrane fuel cell and a manufacturing method of a galvanic pile of the single cell. The invention comprises the following steps: (1) preparing a flow passage isolation plate; (2) applying liquid adhesive on the peripheries of the anode gas diffusion layer, the cathode gas diffusion layer and the catalyst coating film, bonding the anode gas diffusion layer, the cathode gas diffusion layer and the catalyst coating film together, and sealing and packaging to form the MEA without the reinforced frame; (3) attaching the packaged MEA without the reinforced frame to one side of the flow channel isolation plate, and sealing and packaging to form a single cell; (4) attaching a sealing gasket or a sealing ring on one side of the flow channel isolation plate without the MEA; (5) a plurality of single batteries are superposed to form a stack. The membrane-electrode-gas diffusion layer assembly is fixed on the flow channel isolation plate through the adhesive, so that the problem of dislocation of the MEA and the flow channel isolation plate in the process of stacking the fuel cell stack can be solved, the consistency of the stack is improved, the problem of long-time working cracking of the MEA protective edge in the stack is reduced, and the stable performance of the stack is ensured.)

一种质子交换膜燃料电池单体电池及其电堆的制造方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池单体电池及其电堆的制造方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池为多层结构，每一层中均包含能够独立进行电化学反应的物质输送流道，为了防止反应物氢气、空气及冷却液泄露，层与层之间设计有相应的密封结构，密封结构的可靠性直接决定了燃料电池的使用寿命。

燃料电池电堆是由多个电池单元以串联方式层叠组合而成。电池单元电极连接时，必须要有严格的密封，密封不良会导致氢气泄露，降低氢的使用率，影响燃料电池的效率，严重时会导致电池无法工作，影响电池寿命。高压高功率密度燃料电池具有产气压力大的特点，因此对气体密封的要求更为严格。随着燃料电池技术的发展，燃料电池的功率越来越大，组成燃料电池电堆的单电池数量也越来越多，目前大功率电堆的单电池数量在200片以上，有的甚至达到500片，随着单电池的数量越来越多，对电堆组装与一致性要求也越来越高，而电堆组装的一致性是否良好决定了电堆的性能。组装良好的电堆才能最大发挥部件性能，而且一致性好的电堆可以在大电流密度下工作，有利于提高电堆的功率密度。

传统的电池单元由独立膜-电极-气体扩散层组件（MEA）和双极板组成，采用预制成形（密封垫片）密封（在双极板上安装橡胶密封垫片并与膜电极组边框进行挤压密封），如附图1放大部分所示：其中PEM将延伸出来并通过粘接剂与边框粘接，形成带有加强边框的膜-电极-气体扩散层组件（MEA）。密封垫片安装在流道隔离板上，通过流道隔离板挤压边框形成接触密封。由于两次面需要对称挤压，形成对称的载荷，否则边框容易产生变形，进而影响气密性和发电效率。随着电堆中电池单元数量的增加，对电堆组装难度和一致性提出了更高的要求。

传统的电堆组装过程通常是在压力机上进行的，一般是依据一定的组装顺序及定位方法，把一片带有加强边框的膜-电极-气体扩散层组件（MEA）与一片流道隔离板间隔交替摞装起来并附以集流板、端板，通过紧固装置固定形成一个完整的电堆。在组装过程中，电堆组装要保证电堆密封性，而电堆的密封是通过附加在流道隔离板橡胶密封条和MEA的护边密封实现的，这要求上下两块流道隔离板上的密封圈严格对正，偏差小于0.01mm，这既对燃料电池电堆的零部件如流道隔离板、密封圈、带有加强边框的膜-电极-气体扩散层组件（MEA）加工精度控制，也对电堆的装配精度提出严格的要求，既要保证带有加强边框的膜-电极-气体扩散层组件（MEA）与双极板界面的良好接触，又要防止带有加强边框的膜-电极-气体扩散层组件（MEA） 与双极板之间过压，造成气体扩散层塌陷，影响电池性能和寿命。这样在电堆设计阶段要考虑电堆密封元件形变与带有加强边框的膜-电极-气体扩散层组件（MEA）形变的匹配，通过控制电堆高度定量双极板向膜电极扩散层中嵌入深度，并同时使密封元件达到预定的变形量，没有防过压设计，在电堆组装过程中经常出现由于电堆部件由于部件加工误差而出现过压现象，电堆组装品质难以控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种质子交换膜燃料电池单体电池及其电堆的制造方法。本发明的膜-电极-气体扩散层组件通过胶黏剂固定在流道隔离板上，能够解决在燃料电池组堆过程中膜-电极-气体扩散层组件（MEA）与流道隔离板的错位问题，提高电堆一致性，并解决MEA护边在电堆内长时间工作开裂问题，保证电堆性能稳定。MEA结合到流道隔离板上，组成单体电池，解决电堆组装与一致性以及密封问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池单体电池及其电堆的制造方法，其特征在于，该质子交换膜燃料电池单体电池及其电堆的制造方法具有以下特征：

一种质子交换膜燃料电池单体电池及其电堆的制造方法，包括以下步骤：

（1）取出一块流道隔离板，除去上面的灰尘和油脂；

（2）将阳极气体扩散层、阴极气体扩散层、催化剂涂覆膜的外周边施上液态胶黏剂，将三者贴合在一起并密封封装，形成无加强边框的MEA；

（3）将封装好的无加强边框的MEA贴合到流道隔离板的一侧，密封封装形成单体电池；

（4）在流道隔离板无MEA的一侧贴上密封垫或密封圈；

（5）将步骤（3）中的多个单体电池叠加，形成电堆。

所述无加强边框的MEA通过丝网印刷、点胶或模板注塑的方式将阳极气体扩散层、阴极气体扩散层、催化剂涂覆膜贴合在一起并密封封装。

所述无加强边框的MEA通过丝网印刷、点胶或模板注塑的方式贴合密封封装在流道隔离板氢气流场侧或空气流场侧的活性区域。

所述无加强边框的MEA通过丝网印刷、点胶或模板注塑的方式贴合封装，液态胶黏剂涂在MEA外周边或流道隔离板流道活性区域外周边上。

所述流道隔离板材质为石墨、石墨树脂复合材料、石墨金属复合材料、金属材料、金属树脂复合材料中的一种。

所述流道隔离板贴有用于密封反应物流体和冷却流体的密封垫或密封圈。

所述贴有密封垫或密封圈的流道隔离板的一侧流道活性区域要高出0.05-0.5mm。

所述胶黏剂为不含硫常温固化硅橡胶、不含硫高温固化硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶、不含硫UV胶或环氧树脂胶中的一种或多种。

所述流道隔离板由一块分隔物、两块分隔物或多块分隔物贴合而成，其上设置有限制密封垫或密封圈移动的沟槽。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）膜-电极-气体扩散层组件（MEA）通过胶黏剂固定在流道隔离板上，能够解决在燃料电池组堆过程中膜-电极-气体扩散层组件（MEA）与流道隔离板的错位问题，提高电堆一致性；能够解决独立膜-电极-气体扩散层组件（MEA）时，膜-电极-气体扩散层组件（MEA）护边在电堆内长时间工作开裂问题，保证电堆性能稳定。

（2）膜-电极-气体扩散层组件（MEA）通过胶黏剂固定在流道隔离板上，每片单电池的密封通过流道隔离板之间密封，不再通过流道隔离板与膜电极膜-电极-气体扩散层组件（MEA）之间密封，每片单电池减少1个密封圈，并且解决采用独立膜-电极-气体扩散层组件（MEA）时，拆堆后第二次组堆时气体易泄漏问题，保证组堆的均一性。

（3）固定膜-电极-气体扩散层组件（MEA）既可以封装在空气侧、也可以封装在氢气侧，且只封装流道隔离板活性区域，不封装流体公共通道部分，节省耗材。

（4）通过膜-电极-气体扩散层组件（MEA）封装在流道隔离板上，可以通过丝网印刷、点胶、模板注塑等方法实现，适合规模化大生产，可快速组堆，实现大规模化生产。

下面通过

具体实施方式

对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

附图说明

图1是传统质子交换膜燃料电池电堆的结构示意图。

图2是膜-电极-气体扩散层组件的封装过程示意图。

图3是密封封装流道隔离板组件的结构示意图。

图4是单体电池的封装过程示意图。

图5新型质子交换膜燃料电池电堆的结构示意图。

图6有质子交换膜周边的催化层-膜-催化层三明治结构示意图。

图7无质子交换膜周边的催化层-膜-催化层三明治结构示意图。

图中，GDL-气体扩散层；CCM-催化剂/质子交换膜组；1-质子交换膜；2-催化剂层。

具体实施方式

质子交换膜燃料电池单体电池及其电堆的制造方法是按如下步骤进行的，制备MEA和流道隔离板----贴合MEA、贴合流道隔离板、贴合密封垫或密封圈----MEA贴合在流道隔离板上----形成单体电池----多个单体电池叠加成电堆，其内部单体电池结构如图5所示。

实施例1

一种质子交换膜燃料电池单体电池及其电堆的制造方法，包括以下步骤：

（1）制备膜-电极-气体扩散层组件（MEA），所述膜-电极-气体扩散层组件包括：

a.质子交换膜；在所述质子交换膜的一个表面上形成阳极催化剂层，露出质子交换膜该表面的周边区域；在质子交换膜的另一个表面上形成阴极催化剂层，并露出质子交换膜此表面的周边区域；阳极催化层与阴极催化层面积大小完全一致，如图6所示。

b.阳极气体扩散层；所述阳极气体扩散层与阳极催化剂层结合，并覆盖周边区域，其面积大小和质子交换膜完全一致；

c.阴极气体扩散层；所述阴极气体扩散层与阴极催化剂层结合，并覆盖周边区域，其面积大小和质子交换膜完全一致；

上述扩散层与质子交换膜的结合通过胶黏剂密封封装如图2所示，不含硫的常温固化硅橡胶通过与质子交换膜、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层制成的框架构件使气体扩散层与催化层紧密结合；不含硫的常温固化硅橡胶通过点胶机在气体扩散层周边点胶，然后将阳极气体扩散层，有质子交换膜周边的催化层-膜-催化层（CCM），阴极气体扩散层贴合，硅胶常温固化24小时，形成膜电极-气体扩散层组件（MEA）。

（2）密封封装流道隔离板组件，将阳极隔离板和冷却液-阴极隔离板通过胶黏剂密封封装，环氧树脂胶通过丝网印刷涂覆到隔离板的四周，贴合密封并加热固化。

（3）在密封封装好的流道隔离板组件的一面贴上密封垫或密封圈；密封圈通过点胶的方式，在隔离板上形成密封圈，密封封装流道隔离板组件如图3所示；

（4）将步骤（1）制备MEA贴合在流道隔离板组件上，形成单体电池，如图4所示。

（5）将步骤（4）中的多个单体电池叠加，形成电堆。

上述实施例中所述流道隔离板材质为石墨。

上述实施例中所述流道隔离板贴有用于密封反应物流体和冷却流体的密封垫或密封圈。

上述实施例中所述贴有密封圈的流道隔离板的一侧流道活性区域要高出0.05mm。

上述实施例中所述胶黏剂为不含硫常温固化硅橡胶和环氧树脂胶，不含硫常温固化硅橡胶既可以贴合MEA也可以贴合流道隔离板；环氧树脂胶既可以贴合MEA也可以贴合流道隔离板。

上述实施例中所述流道隔离板由一块分隔物贴合而成，其上设置有限制密封圈移动的沟槽。

实施例2

一种质子交换膜燃料电池单体电池及其电堆的制造方法，包括以下步骤：

（1）制备膜-电极-气体扩散层组件（MEA），所述膜-电极-气体扩散层组件包括：

a.质子交换膜；在所述质子交换膜的一个表面上形成阳极催化剂层，阳极催化剂层与质子交换膜面积大小一致；在所述质子交换膜的另一个表面上形成阴极催化剂层，阴极催化剂层与质子交换膜面积大小一致，如图7所示。

b.阳极气体扩散层，所述阳极气体扩散层与阳极催化剂层结合，其面积大小和质子交换膜完全一致；

c.阴极气体扩散层，所述阴极气体扩散层与阴极催化剂层结合，其面积大小和质子交换膜完全一致；

上述扩散层与质子交换膜的结合通过胶黏剂密封封装如图2所示，氟橡胶通过与催化层、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层制成的框架构件使气体扩散层与催化层紧密结合；氟橡胶通过点胶机在气体扩散层周边点胶，然后将阳极气体扩散层，无质子交换膜周边的催化层-膜-催化层（CCM），阴极气体扩散层贴合，加热固化3小时，形成膜电极-气体扩散层组件（MEA）。

（2）密封封装流道隔离板组件，将阳极隔离板、阴极隔离板，阳极隔离板和阴极隔离板通过胶黏剂密封封装，不含硫的高温固化硅橡胶通过丝网印刷涂覆到隔离板的四周，贴合密封并加热固化1小时。

（3）在密封封装好的流道隔离板组件的一面贴上密封垫或密封圈；密封圈可通过点胶的方式，在隔离板上形成密封圈，密封封装流道隔离板组件如图3所示；

（4）将步骤（1）制备MEA贴合在流道隔离板组件上，形成单体电池，如图4所示。

（5）将步骤（4）中的多个单体电池叠加，形成电堆。

所述流道隔离板材质为石墨树脂复合材料。

所述流道隔离板贴有用于密封反应物流体和冷却流体的密封圈。

所述贴有密封垫或密封圈的流道隔离板的一侧流道活性区域要高出0.1mm。

所述胶黏剂为不含硫的高温固化硅橡胶和氟橡胶，不含硫常温固化硅橡胶既可以贴合流道隔离板也可以贴合MEA；氟橡胶既可以贴合MEA也可以贴合流道隔离板。

所述流道隔离板由一块分隔物贴合而成，其上设置有限制密封圈移动的沟槽。

实施例3

一种质子交换膜燃料电池单体电池及其电堆的制造方法，包括以下步骤：

（1）制备膜-电极-气体扩散层组件（MEA），所述膜-电极-气体扩散层组件包括：

a. 质子交换膜；在所述质子交换膜的一个表面上形成阳极催化剂层，阳极催化剂层与质子交换膜面积大小一致；在所述质子交换膜的另一个表面上形成阴极催化剂层，阴极催化剂层与质子交换膜面积大小一致，如图7所示。

b. 阳极气体扩散层，所述阳极气体扩散层与阳极催化剂层结合，其面积大小和质子交换膜完全一致；

c．阴极气体扩散层，所述阴极气体扩散层与阴极催化剂层结合，其面积大小和质子交换膜完全一致；

上述扩散层与质子交换膜的结合通过胶黏剂密封封装如图2所示，双组份常温固化硅胶通过与催化层、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层制成的框架构件使气体扩散层与催化层紧密结合；不含硫UV胶通过丝网印刷机在气体扩散层周边施胶，然后将阳极气体扩散层，无质子交换膜周边的催化层-膜-催化层（CCM），阴极气体扩散层贴合，最后在常温下UV固化，形成膜电极-气体扩散层组件（MEA）。

2）密封封装流道隔离板组件，将阳极隔离板、阴极隔离板，阳极隔离板和阴极隔离板通过胶黏剂密封封装，三元乙丙橡胶通过丝网印刷涂覆到隔离板的四周，贴合密封并加热固化。

（3）在密封封装好的流道隔离板组件的一面贴上密封圈；密封圈可通过点胶的方式，在隔离板上形成密封圈，密封封装流道隔离板组件如图3所示；

（4）将步骤（1）制备MEA贴合在流道隔离板组件上，形成单体电池，如图4所示。

（5）将步骤（4）中的多个单体电池叠加，形成电堆。

所述流道隔离板材质为石墨金属复合材料。

所述流道隔离板贴有用于密封反应物流体和冷却流体的密封圈。

所述贴有密封圈的流道隔离板的一侧流道活性区域要高出0.5mm。

所述胶黏剂为不含硫UV胶和三元乙丙橡胶，不含硫UV胶既可以贴合MEA也可以贴合流道隔离板；三元乙丙橡胶既可以贴合MEA也可以贴合流道隔离板。

所述流道隔离板由多块分隔物贴合而成，其上设置有限制密封圈移动的沟槽。

实施例4

一种质子交换膜燃料电池单体电池及其电堆的制造方法，包括以下步骤：

（1）制备膜-电极-气体扩散层组件（MEA），所述膜-电极-气体扩散层组件包括：

a.质子交换膜；在质子交换膜的一个表面上形成阳极催化剂层，露出质子交换膜该表面的周边区域；在质子交换膜的另一个表面上形成阴极催化剂层，并露出质子交换膜该表面的周边区域；阳极催化层与阴极催化层面积大小完全一致，如图6所示。

b.阳极气体扩散层，所述阳极气体扩散层与阳极催化剂层结合，并覆盖周边区域，其面积大小和质子交换膜完全一致；

c.阴极气体扩散层，所述阴极气体扩散层与阴极催化剂层结合，并覆盖周边区域，其面积大小和质子交换膜完全一致；

上述扩散层与质子交换膜的结合通过胶黏剂密封封装如图2所示，不含硫常温固化硅橡胶通过与质子交换膜、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层制成的框架构件使气体扩散层与催化层紧密结合；不含硫常温固化硅橡胶通过点胶机在有质子交换膜周边的催化层-膜-催化层（CCM）周边点胶，然后将阳极气体扩散层，有质子交换膜周边的催化层-膜-催化层（CCM），阴极气体扩散层贴合，硅胶固化24小时，形成膜电极-气体扩散层组件（MEA）。

（2）密封封装流道隔离板组件，将阳极隔离板、冷却液-阴极隔离板，阳极隔离板和冷却液-阴极隔离板通过胶黏剂密封封装，氟橡胶通过丝网印刷涂覆到隔离板的四周，贴合密封并加热固化。

（3）在密封封装好的流道隔离板组件的一面贴上密封垫或密封圈；密封圈通过点胶的方式，在隔离板上形成密封圈，密封封装流道隔离板组件如图3所示；

（4）将步骤（1）制备MEA贴合在流道隔离板组件上，形成单体电池，如图4所示；

（5）将步骤（4）中的多个单体电池叠加，形成电堆。

所述流道隔离板材质为金属材料。

所述流道隔离板贴有用于密封反应物流体和冷却流体的密封圈。

所述贴有密封圈的流道隔离板的一侧流道活性区域要高出0.3mm。

所述胶黏剂为不含硫常温固化硅橡胶和氟橡胶，不含硫常温固化硅橡胶既可以贴合MEA也可以贴合流道隔离板；氟橡胶既可以贴合MEA也可以贴合流道隔离板。

所述流道隔离板由两块分隔物贴合而成，其上设置有限制密封圈移动的沟槽。

实施例5

一种质子交换膜燃料电池单体电池及其电堆的制造方法，包括以下步骤：

（1）制备膜-电极-气体扩散层组件（MEA），所述膜-电极-气体扩散层组件包括：

a.质子交换膜；在所述质子交换膜的一个表面上形成阳极催化剂层，露出质子交换膜该表面的周边区域；在所述质子交换膜的另一个表面上形成阴极催化剂层，并露出质子交换膜该表面的周边区域；阳极催化层与阴极催化层面积大小完全一致，如图6所示。

b.阳极气体扩散层，所述阳极气体扩散层与阳极催化剂层结合，并覆盖周边区域，其面积大小和质子交换膜完全一致；

c.阴极气体扩散层，所述阴极气体扩散层与阴极催化剂层结合，并覆盖周边区域，其面积大小和质子交换膜完全一致；

上述扩散层与质子交换膜的结合通过胶黏剂密封封装如图2所示，不含硫常温固化硅橡胶通过与质子交换膜、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层制成的框架构件使气体扩散层与催化层紧密结合；不含硫常温固化硅橡胶通过丝网印刷机在无质子交换膜周边的催化层-膜-催化层（CCM）周边施胶，然后将阳极气体扩散层，有质子交换膜周边的催化层-膜-催化层（CCM），阴极气体扩散层贴合，最后在常温下，硅胶固化24小时，形成膜电极-气体扩散层组件（MEA）。

（2）密封封装流道隔离板组件，将阳极隔离板、冷却液-阴极隔离板，阳极隔离板和冷却液-阴极隔离板通过胶黏剂密封封装，不含硫常温固化硅橡胶通过丝网印刷涂覆到隔离板的四周，贴合密封并加热固化。

（3）在密封封装好的流道隔离板组件的一面贴上密封垫；密封垫通过点胶的方式，在隔离板上形成密封圈，密封封装流道隔离板组件如图3所示；

（4）将步骤（1）制备MEA贴合在流道隔离板组件上，形成单体电池，如图4所示；

（5）将步骤（4）中的多个单体电池叠加，形成电堆。

所述流道隔离板材质为金属树脂复合材料。

所述流道隔离板贴有用于密封反应物流体和冷却流体的密封垫。

所述贴有密封垫的流道隔离板的一侧流道活性区域要高出0.2mm。

所述胶黏剂为不含硫常温固化硅橡胶，既可以贴合MEA也可以贴合流道隔离板。

所述流道隔离板由一块分隔物贴合而成，其上设置有限制密封垫移动的沟槽。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。