本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及一種燃料電池膜電極一體注膠結(jié)構(gòu)與制備方法。

背景技術(shù)：

1、燃料電池是將化學能轉(zhuǎn)化為電能的在線發(fā)電裝置，由于突破了傳統(tǒng)內(nèi)燃機的效率限制，燃料電池發(fā)動機被認為是未來最重要的汽車動力裝置發(fā)展的方向。以質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)為例，燃料電池堆由多節(jié)單電池疊加組成，氣源通過電堆的燃料進口進入每節(jié)單電池，經(jīng)過電池內(nèi)的規(guī)定的密封流道并參與反應，剩余氣體從電堆的出口流出電堆。為確保電池堆的正常運行，電池堆的密封是非常關(guān)鍵的。電池堆密封不良或者密封失效會導致電池堆的性能降低，損傷電池堆內(nèi)部部件，甚至引起爆炸，造成安全事故。在氫燃料電池中，通常采用密封膠線或者絲網(wǎng)印刷的形式來密封三腔流體；其中絲網(wǎng)印刷工藝僅適用于石墨雙極板的內(nèi)部貼合和冷卻流道的密封，而反應物氣體與膜電極之間的密封一般采用密封膠線。

2、目前，在燃料電池堆的實際裝配應用中，密封膠線的成型方式有多種，例如采用uv膠在雙極板膠線槽內(nèi)點膠固化的形式、通過模具成型的方式定制膠線的形式、在雙極板上注塑或注膠成型的形式以及在膜電極邊框上硅膠模壓成型的形式等。然而，上述這些密封膠線成型方式需要進行多次點膠或者貼膠圈，不便于電堆的組裝，組裝效率低，也容易對膜電極或雙極板等核心部件造成損傷，影響整個電池堆的性能；而且，當因密封膠線問題引起的燃料電池密封不良時，需要將雙極板或者膜電極整體更換，操作復雜，成本高昂，不利于燃料電池的優(yōu)化升級。

3、傳統(tǒng)?pemfc的陽極板陰極板和mea均為獨立制造。為了減少零部件的數(shù)量,可將密封件與極板或?mea?附著加工成組合體，依靠裝配壓力組合成為單電池。傳統(tǒng)單電池?一般通過密封圈實現(xiàn)對氫氣、空氣和冷卻液的密封，稱作線密封結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、直觀、易于加工。?然而,由于單片密封件制造存在誤差，在長期服役中極板之間受力穩(wěn)定性和一致性較差。而當面間受力不均勻時，易導致單電池內(nèi)部與節(jié)間接觸電陽熱阻產(chǎn)生較大差異，從而難以保證整堆發(fā)電時的一致性。豐田汽車公司公開了一種燃料電池單體電池的，基本解決了上述密封相關(guān)問題，其并非使用0型密封圈對雙極板與?mea進行密封，而是使用一種樹脂框架對雙極板和膜電極進行限位，但該結(jié)構(gòu)并未使樹脂框架均勾地包覆在電解質(zhì)膜周圍,因此在較大溫差的工作條件下樹脂框架造成的局部壓力可能對電解質(zhì)膜造成損傷。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的是提出一種燃料電池膜電極一體注膠結(jié)構(gòu)與制備方法。旨在解決現(xiàn)有的密封膠線成型方式操作復雜，以提升燃料電池的穩(wěn)定性、降低各部件損傷風險為目標，設(shè)計一種燃料電池膜電極一體注膠結(jié)構(gòu)與制備方法，將膜電極通過注塑的方式組合成一個部件，并對其加工方法進行初步探索，本結(jié)構(gòu)可以用于燃料電池膜電極一體注膠。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出如下結(jié)構(gòu)與制備方案

3、本技術(shù)提出了一種燃料電池膜電極邊框一體注膠結(jié)構(gòu)與制備方法，膜電極邊框一體化密封，包括膜電極制備方法與邊框一體化注膠制備方法；

4、步驟1：將邊框材料進行刀模與激光機裁切；

5、步驟2：將裁切好的邊框貼合于質(zhì)子交換膜上下之間進行貼合；

6、步驟3：將貼合好的膜電極進行熱壓后,取出膜電極放置在點膠平臺上真空吸附；

7、步驟4：將膜電極陰極面進行點膠后，取出碳紙進行貼合；

8、步驟5：將碳紙的放置在點膠平臺上真空吸附啟動點膠程序進行點膠，進行膜電極陽極貼合；

9、步驟6：將貼合好碳紙的膜電極進行熱壓，得到制備好的膜電極；

10、步驟7：按圖3所示將制備的七層結(jié)構(gòu)膜電極放置在上模治具凸臺上真空80-95kpa進行吸附住，邊框位置位于模具中間密封圈上，露出1-3mm的邊框；

11、步驟8：將下模與上模和膜電極疊放在一起，向模具施加0.38-0.42ppa壓力，使密封圈出現(xiàn)一定程度的壓縮，下模接觸上模的凸臺，并被壓緊，上模、下模具、膜電極的相對位置不在變動，進行定位貼合螺桿固定，并保證模具之間平行度滿足設(shè)計要求，螺桿固定扭力10-20n固定模具不錯位不漏氣；

12、步驟9：將注膠進口與注膠管子連接，啟動注膠設(shè)備進行膠水注塑，進行抽真空注塑避免密封邊框出現(xiàn)氣泡與厚度不均勻；

13、步驟10：調(diào)試加熱溫度為80-120℃，優(yōu)選90℃，固化時間為3-10min?，優(yōu)選5min，固化過程中下模治具進行50%±10%的加濕，避免膜電極發(fā)生膨脹，待密封膠固化成型后進行冷卻，拆除模具螺桿，取出膜電極即得。

14、進一步地，步驟1中，所述邊框材料包括:萘二甲酸乙二醇酯pen、聚酰亞胺pi、聚苯硫醚pps或聚對苯二甲酸乙二醇酯pet中的一種以上；所述裁切為：裁切成第一層邊框膜寬度為2-5mm，第二層邊框膜寬度為2-5mm，邊框厚度30-40um。

15、進一步地，步驟2中，貼合后雙邊框貼合厚度為60-90um。

16、進一步地，步驟3中，所述膜電極邊框貼合熱壓溫度為90℃-120℃，優(yōu)選90℃，膜電極邊框熱壓壓力500n-1500n，優(yōu)選1200n,熱壓時間為60-120s優(yōu)選90s。

17、進一步地，步驟4中，所述點膠的膠高為0.03-0.1mm，優(yōu)選0.05mm；膠寬為0.8-1.5mm，優(yōu)選1.2mm；速度為35-45s，優(yōu)選42s。

18、進一步地，步驟5中，所述碳紙貼合膠寬為0.8mm-1.5mm，優(yōu)選1mm；膠高為0.03mm-0.1mm，優(yōu)選0.05mm；所述點膠速度為35-45s；所述碳紙密封貼合膠為熱熔膠、常溫固化膠、uv膠或熱熔膠中的一種以上。

19、進一步地，步驟6中，所述膜電極反應區(qū)厚度為0.3mm-0.8mm；所述膜電極熱壓壓力500n-1200n；所述熱壓溫度為60℃-100℃，熱壓時間為50-80s。

20、進一步地，步驟3中，所述膜電極放置在點膠平臺上真空吸附力為50-100kpa。

21、進一步地，步驟8中，所述膜電極模具螺桿固定扭力為10n。

22、進一步地，步驟9中，膜電極注膠膠水為液體硅膠。

23、進一步地，步驟10中，所述膜電極注膠固化溫度為90℃，固化時間為5min。

24、進一步地，對膜電極進行測試，測試步驟包括：

25、步驟1：拆除模具螺桿，取出膜電極，進行膜電極邊框總長度測試，游標卡尺測試膜電極總長度為：300-480mm；總寬度為：100-200mm；

26、步驟2：輪廓儀掃描測量膜電極邊框厚度膠為0.3-0.8mm，邊框上的密封膠厚度為0.5-1.2mm，密封寬度為：1.6-2.5mm；

27、步驟3：將膜電極放入氣密性測試治具，充氣50kpa測試時間1min，泄漏為0.1-0.25sccm；

28、步驟4：將制備好的膜電極進行十片短堆裝配與三腔外漏測試，短堆裝配氣缸壓力為0.38-0.4mpa壓緊，連接氣密性測試三根管道分別是氫/氧/水三腔，充氣時間30s氣壓為200kpa，測試時間1min，測試值為4-10sccm滿足氣密性測試條件；

29、步驟5：將短堆進行活化與極化性能測試，短堆性能測試結(jié)0.6-0.65/@1.6-1.8a/cm2。

30、進一步地，所述膜電極注膠邊框厚度為0.34-0.5mm，優(yōu)選0.34mm；

31、所述密封膠厚度為0.5-0.7mm?，優(yōu)選0.60mm，密封寬度為：1.85-2.2mm?，優(yōu)選2mm；所述膜電極邊框總長度456mm±0.1mm；總寬度為：120mm±0.1mm。

32、進一步地，所述膜電極氣密性測試三腔外漏值為＜0.5sccm/片@200kpa，所述膜電極氣氣密性測氫空內(nèi)漏＜0.25sccm/片@50kpa。

33、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢如下：

34、（1）本發(fā)明在活性面積為400cm的膜電極邊框基礎(chǔ)上進行了適應注塑成型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

35、（2）本發(fā)明燃料電池膜電極邊框一體注膠結(jié)構(gòu)能對膜電極起到保護作用,故在邊框與碳紙之間留1?mm間隙,使密封膠能包裹住邊框,并滲入碳紙邊緣。

36、（3）本發(fā)明燃料電池膜電極邊框一體注膠結(jié)構(gòu)可以使極板受力均勻，密封良好與點膠結(jié)構(gòu)相比，減少極板點膠工藝，膜電極邊框一體注膠工藝有利于批量加工制造，提高電堆裝配效率和良品率。

37、（4）本發(fā)明燃料電池膜電極邊框一體注膠結(jié)構(gòu)能防止膜電極邊框錯位與變形，有利于電堆裝配整齊。

38、（5）本發(fā)明燃料電池膜電極邊框一體注膠結(jié)構(gòu)可以降低膜電極撕裂風險，提升氣密性合格率與其他使用壽命。