[发明专利]一种带密封边框的燃料电池膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池膜电极的制备方法，具体涉及一种减少催化层损伤并可连续化生产的带密封边框的燃料电池膜电极的制备方法；属于燃料电池制备技术领域。

背景技术

燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置，该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA )，膜电极(MEA)主要由两张导电性很好的多孔气体扩散层和夹在中间的一层聚合物电解质膜组成，在聚合物电解质膜与气体扩散层两边的界面上均匀分布有大量细小分散的可引发电化学反应的催化剂层构成。

作为燃料电池组核心部件的膜电极(MEA)可以作为3层MEA、5层MEA和7层MEA提供。3层MEA包括聚合物电解质膜以及连接在聚合物电解质膜的两侧的燃料和空气电极；5层MEA包括：3层MEA和密封边框，该密封边框主要为了改善膜电极物理耐久性；7层MEA包括：5层MEA和气体扩散层（GDL），该GDL堆叠在包含催化剂的每个电极的外侧上。将用于供应燃料并排放在反应过程中产生的水的流场的隔板被堆叠在7层MEA的GDL的外侧上时，就形成了单电池，然后通过堆叠多个这样的单电池就可以制造具有期望的功率输出的燃料电池组。

膜电极的性能和寿命直接决定了整个燃料电池的性能和寿命，而导致燃料电池寿命较低的一个重要因素就是膜电极的密封不良。

美国专利US3134697介绍了一种膜电极，聚合物电解质膜的尺寸远大于气体扩散层，超出扩散层的膜作密封材料的基材，起到防止相邻两块导流极板直接接触而短路的作用，由于聚合物电解质膜一般是比较贵的材料，在该方法中大量露出，没有得到充分利用，浪费严重。

欧洲专利EP0604683A 1介绍了一种膜电极密封装置，该装置是将膜电极上的两边多孔性支撑材料大大延伸出膜电极的活性区，将密封材料放在膜电极的聚合物电解质膜上，这样夹住膜电极的两块导流板上就不需要再放置密封材料。但是，由于密封圈材料放在膜电极的扩散层上，特别在膜电极两侧的扩散层设置密封圈材料难度很大，这是因为：扩散层材料（碳纸）往往厚度很薄，主要是为了加强燃料气体与氧化剂气体的快速扩散，所以在这样薄的材料上放置密封圈，密封圈的厚度必然很薄，极易变形，达不到较好的密封效果。此外，由于聚合物电解质膜较薄，在组装过程中很容易造成膜的机械损伤，而且聚合物电解质膜易老化，长期在压力下与密封材料直接接触，更易破裂，导致密封效果很差。

中国专利CN 02283449.4介绍一种燃料电池的膜电极结构，它是用带有热熔胶塑料或热固性橡胶的塑料构成密封边框，密封边框设在活性区的四周；活性区由多孔性支撑材料、附着在多孔性支撑材料上的催化剂压合在质子交换膜两面构成，密封区的厚度与活性区的厚度相同。该技术密封可靠性高，工艺性好，节约了膜材料，但是热压时间久，生产效率低。

中国专利CN200480030791.7介绍了一种带密封材料的核心组件及膜电极，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，聚合物电解质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，这种方法能够获得较好的密封性，但工序较多，增加了制备难度。

中国专利CN200380105886.6介绍了一种膜电极，聚合物电解质膜与气体扩散层是通过热塑性塑料粘结的，在该专利的实施例中介绍了将热塑性塑料通过热压的方式注入到气体扩散层中，通过渗入到气体扩散层中的热塑性塑料将聚合物电解质膜与气体扩散层粘结成一个整体。该专利的实施例是通过分步热压制备膜电极，每步热压过程均需几分钟，制作工艺较复杂，不利于大规模工业化地生产膜电极。

中国专利CN200810197098.8介绍了一种带密封边框的核心部件及由此制备的膜电极，它采用一面涂覆有在常温下具有粘性胶层的密封边框材料，且密封边框材料的另一面附有一层加强的衬底，在聚合物电解质膜一面有支撑的条件下，在聚合物电解质膜两个表面叠压密封边框，然后将催化剂涂覆到聚合物电解质膜的活性区域，制备成带密封边框的核心组件（CCM），再与带有微孔层的气体扩散层热压即可制备得到膜电极(MEA)。该专利不但具有较好的密封，而且能实现批量化生产，但对位精度要求较高，且涂覆催化层时，较容易导致聚合物电解质膜溶胀变形，从而导致密封边框因应力而变形。