本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極密封邊框。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池是一種電化學(xué)電池，氫氣由陽(yáng)極進(jìn)入并被氧化，氧氣再陰極消耗。氫氣氧化過(guò)程中釋放質(zhì)子，質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)至陰極。質(zhì)子交換膜不傳導(dǎo)電子，故氫氣氧化產(chǎn)生的電子通過(guò)外電路傳遞至陰極，產(chǎn)生電流。

質(zhì)子交換膜燃料電池除具有燃料電池的一般特點(diǎn)如能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好等之外，還具有可在室溫快速啟動(dòng)、體積小、無(wú)電解液流失、水易排出、壽命長(zhǎng)、比功率與比能量高等突出特點(diǎn)。因此，質(zhì)子交換膜燃料電池具有極其廣闊的應(yīng)用前景，它不僅可用于建設(shè)分散電站，也適宜于用作可移動(dòng)動(dòng)力電源，是軍民通用的一種新型可移動(dòng)動(dòng)力電源。在未來(lái)的以氫作為主要能量載體的氫能時(shí)代，它是最佳的家庭動(dòng)力電源。

最原始的膜電極制備采用質(zhì)子交換膜面積遠(yuǎn)大于膜電極中的氣體擴(kuò)散層(以碳紙為例)的方法，超出碳紙的部分的膜不是電化學(xué)反應(yīng)活性區(qū)域，只有制備有催化劑的部分才是電化學(xué)活性區(qū)。這種方法是將超出碳紙部分的質(zhì)子交換膜直接作為密封部件來(lái)防止陰陽(yáng)極氣體互漏同時(shí)防止兩塊雙極板接觸而短路。此方法的缺陷在于：質(zhì)子交換膜是一種價(jià)格相當(dāng)昂貴的材料，大量延伸出來(lái)后沒(méi)有得到充分的利用，造成嚴(yán)重浪費(fèi)。同時(shí)質(zhì)子交換膜是一種易老化易破損的材料，長(zhǎng)期在壓力下與密封材料直接接觸，更容易造成質(zhì)子交換膜的破損，導(dǎo)致膜電極失效。

請(qǐng)參閱圖3所示，歐洲專(zhuān)利ep0604683ai采用的方法是將氣體擴(kuò)散層如碳紙，大大延伸出膜電極活性區(qū)，然后將密封材料嵌入碳紙中并壓在質(zhì)子交換膜上，厚度大于膜電極的厚度，這樣夾在雙極板之間就能實(shí)現(xiàn)密封。此方法的缺陷在于：在氣體擴(kuò)散層上設(shè)置密封層的難度較大，同時(shí)由于密封層嵌入氣體擴(kuò)散層內(nèi)部并壓緊在質(zhì)子交換膜上，造成質(zhì)子交換膜的失效，氣體擴(kuò)散層在壓緊過(guò)程同樣也會(huì)對(duì)質(zhì)子膜造成剪切破壞。

請(qǐng)參閱圖4所示，上海神力公司專(zhuān)利02283449.4采用的方法是將質(zhì)子交換膜部分外延并填充滲透樹(shù)脂膠膜材料或熱固性橡膠組成，其中中間層與外延的質(zhì)子交換膜端部對(duì)接，該中間層兩面附著密封層，該密封層與氣體擴(kuò)散層端部對(duì)接并產(chǎn)生滲透，三層密封材料融為一體，該密封區(qū)的厚度與活性區(qū)厚度相同。此方法的缺陷在于：密封層和氣體擴(kuò)散層的端部對(duì)接滲透，會(huì)影響活性區(qū)邊緣的氣體擴(kuò)散，降低催化劑的使用效率，同時(shí)操作難度較大，因?yàn)槊芊鈱颖仨毷且簯B(tài)或者膠質(zhì)。密封層材料與氣體擴(kuò)散層性質(zhì)差別較大，兩者滲透交接后由于膨脹系數(shù)不同可能會(huì)導(dǎo)致連接處損壞。

因此，需要一種新的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極密封邊框以解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極密封邊框。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極密封邊框采用如下技術(shù)方案：

一種質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極密封邊框，膜電極包括質(zhì)子交換膜，密封邊框包括墊平層、保護(hù)層、氣體擴(kuò)散層和密封層，所述質(zhì)子交換膜的外延對(duì)接所述墊平層，所述質(zhì)子交換膜沿所述氣體擴(kuò)散層外延，所述質(zhì)子交換膜的外延的兩側(cè)均設(shè)置有所述保護(hù)層，所述保護(hù)層的外側(cè)設(shè)置有氣體擴(kuò)散層。

更進(jìn)一步的，還包括密封層，所述保護(hù)層的外側(cè)設(shè)置有所述密封層，所述氣體擴(kuò)散層的一端對(duì)接所述密封層。能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)外密封和內(nèi)密封作用。

更進(jìn)一步的，所述墊平層的厚度與所述質(zhì)子交換膜的厚度相同。方便密封結(jié)構(gòu)找平。

更進(jìn)一步的，所述墊平層為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯墊平層、聚丙烯墊平層、聚乙烯墊平層、聚氯乙烯墊平層、聚碳酸酯墊平層、聚酰亞胺墊平層、聚四氟乙烯墊平層、聚酰胺墊平層或聚乙烯醇?jí)|平層。

更進(jìn)一步的，所述質(zhì)子交換膜的外延和所述保護(hù)層之間設(shè)置有第一粘合劑層，所述保護(hù)層與所述氣體擴(kuò)散層之間設(shè)置有第二粘合劑層。用將保護(hù)層和質(zhì)子交換膜以及氣體擴(kuò)散層結(jié)合到一起。

更進(jìn)一步的，所述第一粘合劑層和/或第二粘合劑層為丁苯橡膠、sebs、有機(jī)硅膠、硅膠、sbs、丙烯酸酯共聚物、聚氨酯類(lèi)膠、酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂等中的一種或者多種的混合物。

更進(jìn)一步的，所述密封層為橡膠類(lèi)橡膠密封層、硅膠類(lèi)橡膠密封層、聚氨酯類(lèi)橡膠密封層或氟膠類(lèi)橡膠密封層。

更進(jìn)一步的，所述保護(hù)層為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯保護(hù)層、聚丙烯保護(hù)層、聚乙烯保護(hù)層、聚氯乙烯保護(hù)層、聚碳酸酯保護(hù)層、聚酰亞胺保護(hù)層、聚四氟乙烯保護(hù)層、聚酰胺保護(hù)層或聚乙烯醇保護(hù)層。

更進(jìn)一步的，所述保護(hù)層的厚度為0.01-0.1mm。

更進(jìn)一步的，所述保護(hù)層延伸至所述墊平層的兩側(cè)。方便墊平層的兩側(cè)找平。

有益效果：本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極密封邊框密封效果優(yōu)良；節(jié)省質(zhì)子交換膜和氣體擴(kuò)散層用量，降低成本；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，利于流程化加工，方便產(chǎn)業(yè)化；邊框?qū)|(zhì)子交換膜有良好的保護(hù)作用，能夠有效防止機(jī)械破壞。

附圖說(shuō)明

圖1為質(zhì)子交換膜燃料電池的原理圖；

圖2為原始膜電極邊框的示意圖；

圖3為歐洲專(zhuān)利示意圖；

圖4為上海神力公司專(zhuān)利示意圖；

圖5為本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極密封邊框的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種不脫離本發(fā)明原理的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

請(qǐng)參閱圖5所示，本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極密封邊框，質(zhì)子交換膜(即圖中催化層)沿氣體擴(kuò)散層向外少量外延，在延伸部分的中間填充高強(qiáng)度耐溫薄膜，即墊平層，中間的高強(qiáng)度耐溫薄膜厚度與質(zhì)子交換膜厚度相當(dāng)，并與質(zhì)子交換膜延伸部分端部對(duì)接。該墊平層可以采用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚酰胺、聚乙烯醇之中的任意一種。該高強(qiáng)度耐溫薄膜兩邊涂覆或者外加粘合劑層。粘合劑層的材料為丁苯橡膠、sebs、有機(jī)硅膠、硅膠、sbs、丙烯酸酯共聚物、聚氨酯類(lèi)膠、酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂等中的一種或者多種的混合物。粘合劑層厚度為0.01-0.05mm。

在氣體擴(kuò)散層和質(zhì)子交換膜之間伸入一層高分子薄膜以達(dá)到保護(hù)質(zhì)子交換膜不被氣體擴(kuò)散層破壞的目的。該保護(hù)層的厚度在0.01-0.1mm。

在兩邊保護(hù)層的外側(cè)涂布或者外加粘合劑層，選材和上文相同，厚度為0.01-0.05mm，在粘合劑層上面覆蓋密封層。該密封層的材料可以是橡膠類(lèi)、硅膠類(lèi)、聚氨酯類(lèi)、氟膠類(lèi)橡膠中的任意一種。密封層與氣體擴(kuò)散層端部對(duì)接，厚度則根據(jù)氣體擴(kuò)散層的厚度來(lái)確定。

上述為組裝過(guò)程，組裝完畢，將其放入準(zhǔn)備好的模具，放置到平板熱壓機(jī)上。設(shè)定熱壓溫度100-140℃，壓強(qiáng)0.5-3mpa，熱壓時(shí)間100-200s，冷卻溫度20-50℃，進(jìn)行熱壓處理。通過(guò)熱壓可以將上述所有材料形成一個(gè)整體，從而完成對(duì)膜電極的密封和保護(hù)。冷卻后開(kāi)模取出膜電極。

熱壓冷卻完成后的膜電極存放在干燥無(wú)污染的環(huán)境中。

實(shí)施例1:

一種無(wú)外密封作用的邊框制備方法

圖5為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖：制備方法采取由內(nèi)而外制備，首先制備有催化層的質(zhì)子交換膜放置在一片聚酰亞胺薄膜墊平層之間，并與其端部對(duì)接，聚酰亞胺厚度為40微米，然后在質(zhì)子交換膜和墊平層左右兩側(cè)設(shè)置一層雙面膠粘合劑層，在粘合劑層的外側(cè)分別設(shè)置一層相同厚度的聚酰亞胺薄膜保護(hù)層，保護(hù)層厚度為25微米。然后將氣體擴(kuò)散層設(shè)置在保護(hù)層的外側(cè)，放入夾具夾緊然后放置到平板熱壓機(jī)上。設(shè)定熱壓時(shí)間120s，壓力1.5mpa，溫度100℃，冷卻溫度30℃，選擇自動(dòng)運(yùn)行，待熱壓冷卻完成后取下模具開(kāi)模取出制備好的膜電極。因?yàn)椴恍枰饷芊庾饔?，所以最外?cè)的粘合劑和密封層不需要設(shè)置。制備完成的膜電極裝配到單電池中，需要外加密封圈。采用gb/t20042.5《質(zhì)子交換膜燃料電池第五部分：膜電極測(cè)試方法》中的測(cè)試外漏和內(nèi)漏的方法。經(jīng)過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)膜電極裝配到單電池中，外漏和內(nèi)漏均不會(huì)出現(xiàn)。

實(shí)施例2:

一種同時(shí)具有外密封和內(nèi)密封作用的邊框制備方法

圖5為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖：制備方法采取由內(nèi)而外制備，首先制備有催化層的質(zhì)子交換膜放置在一片聚丙烯薄膜墊平層之間，并與其端部對(duì)接，聚丙烯厚度為30微米，然后在質(zhì)子交換膜和墊平層左右兩側(cè)設(shè)置一層雙面膠粘合劑層，在粘合劑層的外側(cè)分別設(shè)置一層相同厚度的聚丙烯薄膜保護(hù)層，保護(hù)層厚度為50微米。在兩側(cè)保護(hù)層外側(cè)各設(shè)置一層雙面膠粘合劑層，將密封層丁苯橡膠設(shè)置在粘合劑層外側(cè)，丁苯橡膠厚度為40微米。然后將氣體擴(kuò)散層設(shè)置在保護(hù)層的外側(cè)，同時(shí)與密封層端部對(duì)接。組裝完成后放入夾具夾緊然后放置到平板熱壓機(jī)上。設(shè)定熱壓時(shí)間150s，壓力0.5mpa，溫度140℃，冷卻溫度30℃，選擇自動(dòng)運(yùn)行，待熱壓冷卻完成后取下模具開(kāi)模取出制備好的膜電極。制備完成的膜電極裝配到單電池中，不需要外加密封圈。采用gb/t20042.5《質(zhì)子交換膜燃料電池第五部分：膜電極測(cè)試方法》中的測(cè)試外漏和內(nèi)漏的方法。經(jīng)過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)膜電極裝配到單電池中，外漏和內(nèi)漏均不會(huì)出現(xiàn)。