[发明专利]一种制备燃料电池膜电极密封边框的对位方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种聚合物离子交换膜燃料电池膜电极制备技术，具体为膜电极制备过程中密封边框活性区域的对位方法。

发明背景

聚合物离子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高功率密度，高能量转换效率，低温启动，环境友好等优点，最有希望成为零污染排放电动汽车的动力源，使其在全球能源危机和环境日益恶化的今天，成为国际高新技术竞争的热点之一。膜电极(MEA)是聚合物离子交换膜燃料电池最为关键的组件，而其中的聚合物离子交换膜起到传导质子、阻隔电子在电池内部直接构成回路以及阻断氢气和氧气/空气直接接触(即密封)的作用。但由于聚合物离子交换膜厚度非常薄，在电池组装过程中易造成机械损伤。在使用过程中，聚合物离子交换膜又容易受湿度影响而发生尺寸的改变，会进一步加剧机械损伤，从而在使用一段时间后出现破损，无法真正达到密封的效果。于是针对这种情况出现了很多的密封方法，由于采用的密封方法多种多样，使得膜电极的制备过程也各不相同。

[CN200480030791.7]介绍了一种带密封材料的核心组件及膜电极。它采用热塑性聚合物、弹性密封体以及热固性聚合物为密封材料。聚合物离子交换膜的边缘有密封材料保护，气体扩散层均采用密封材料使阴极和阳极反应物隔绝。

[US6159628]介绍的燃料电池包括多孔基底，他们周边充满热塑性材料。

[CN200380105886.6]和[US6057054]介绍了一种膜电极，聚合物离子交换膜与气体扩散层是通过热塑性塑料粘结的。

[US6165634]公开了一种燃料电池组的密封方法，所述燃料电池组件的周边区域通过密封材料浸渍或粘附在一起，所述密封材料覆盖了所述电池组件的外边缘。

[US6159628]和[US2001/0001052]公开了一种具有边缘密封基材的MEA，所述边缘密封基材是通过将热塑性聚合物挤入所述基材的周边形成的。所述边缘密封基材是通过将热塑性聚合物材料粘附到聚合物离子交换膜上。

上述各方法有的是预先设置了密封材料的内外区域界线，有的是确定了活性区域然后设置密封材料，因此对密封材料的对位精度没有严格要求。但以上各制备膜电极边框的方法工艺复杂，工序繁多，不利于燃料电池膜电极的高效率批量化制备。

[CN200810197098.9]介绍了一种制备带密封边框膜电极的方法，该方法的特点是在延伸出气体扩散层的聚合物离子交换膜的两面分别覆合一层密封边框，这种结构大大增强了膜电极的可加工性和工艺稳定性。

[CN201010125455.8]提出了一种边框叠层结构以及相应独特的加工制备方法，使得覆合密封边框的过程中聚合物离子交换膜机械强度更好，尺寸稳定性和加工可行性更好。

上述两个专利有效的改进了膜电极密封的结构和制备工艺，降低了加工难度，适合于大批量连续化制备燃料电池膜电极，但其提及的密封结构对于密封边框对位精度具有较高的要求。而密封边框活性区域对位偏差过大会带来一系列不良后果，主要有以下几个方面：

(1)影响膜电极的加工。气体扩散层需要在密封边框的位置基础上覆合，密封边框对位精度不高，使气体扩散层的覆合位置受到影响，如果位置对应精度太低，会造成加工时聚合物离子交换膜的损伤甚至破损；

(2)降低燃料电池堆的功率密度和可靠性。为了提高对较差精度膜电极的适应性，并使得各部件对准，电堆的各部件尺寸需要相应的做得更大一些，降低了电堆的功率密度；同时装配尺寸的偏差会带来诸如流道堵塞、聚合物离子交换膜破损、进出口串气、气体泄露等很多问题，容易导致氢气和氧气混合，在催化剂存在的条件下甚至有爆炸的危险，大大降低了燃料电池堆的可靠性；

(3)降低燃料电池的耐久性。精度太差造成膜电极各部件不正确的位置关系，使得膜电极经过较短时间的运行就出现聚合物离子交换膜的破损，从而导致燃料电池的失效，减小了燃料电池的寿命；

(4)造成资源的浪费。膜电极密封边框对位精度不高，影响了膜电极各部件的匹配关系，使得部分催化剂未处在正确的位置，从而无法发挥其应有的功能，造成昂贵的贵金属催化剂的浪费，同时也造成了价格同样昂贵的聚合物离子交换膜的浪费；

(5)造成燃料电池输出功率的减少。膜电极阴阳极密封边框的错位，会导致错位区域的催化剂无法发挥其应有的电催化功能而减少输出功率，根据计算，膜电极密封边框的对位精度每降低1％，输出功率就会相应地减少4％。