[发明专利]制备一体式可再生燃料电池MEA时对催化膜的保护方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池制备技术领域。具体的说是制备一体式可再生燃料电池MEA时对催化膜的保护方法。

背景技术

一体式可再生燃料电池（Unitized Regenerative Fuel Cell,即URFC）的燃料电池功能和水电解功能由同一组件实现，可最大限度提高系统的比功率和比能量，比能量可达400Wh/kg以上，是目前高能二次电池的几倍，而且没有自放电及放电深度和电池容量等限制，在空间电源领域具有广泛的应用前景；也可配合太阳能或风能等实现自给工作，成为可再生能源利用系统的重要组成部分。

膜电极三合一（MEA）是URFC的核心部件之一，由耐腐蚀氧电极扩散层、催化层、具有质子传导能力的膜以及氢电极扩散层和密封框等组成。在URFC水电解模式下，高电解电压和强氧化性中间产物会对URFC电极材料造成严重腐蚀，所以目前的研究中，一般采用耐腐蚀性强的金属材料作为扩散层基底，基底材料一般为Pt、Au、Ru、Rh、Ag、Ir、Pd、Ti、Ta中的一种；可以是金属纤维、拉伸网、编织网或者多孔薄板。但是金属材料的硬度较大，纤维或网的边缘非常锋利，对目前常用的质子交换膜有很强的机械剪切力，在制备膜电极的过程中，常常造成扩散层基底边缘位置的质子交换膜减薄，成为潜在的漏点；甚至直接刺/割破该部位的膜，导致整个MEA无法使用。因此，在无法改变扩散层材料本体性质的情况下，开发一种膜电极的保护方法就显得尤为重要。现有的对膜电极的保护技术中，专利CN 201060896Y所述的保护方法，由于采用聚四氟乙烯保护膜，其与两侧的膜和多孔碳层没有结合力，在电池运行环境下，由于受到压力、温度变化和膜的溶涨/收缩的冲击，与传统方式相比，该部位的膜的形变会加剧，引入了新的问题；上海神力科技有限公司利用胶带把电极四周与膜粘接在一起以保护膜与电极结合部的方法，也不适合一体式可再生燃料电池的金属材料扩散层。金属边缘会很容易刺破所贴加的胶带。美国专利NO.6057054提出了液体硅橡胶以供在膜电极组件上模塑。然而，这种硅酮组合物在实现燃料电池所需要操作寿命之前会降解。这种硅橡胶剥离材料还会对电池造成污染，影响电池性能。

发明内容

本发明的目的在于解决MEA制备时膜电极密封构件及扩散层，特别是金属材料扩散层对催化膜的剪切破坏问题。本发明采用带有弹性耐温垫片的金属夹板和带有耐温胶膜的催化膜保护条相结合的方法来减小扩散层及密封构件对膜的剪切力。

首先，在金属材料扩散层与密封框的交界处，在与催化膜接触侧贴加一层或一层以上环形保护条，该保护条既在扩散层上，也在密封框上。其中保护条既可位于催化层的任一侧，也可位于催化层两侧。将金属材料扩散层对催化膜的作用点由线改为面，不仅可扩大金属材料扩散层及密封框边缘与膜电极的接触面积，降低作用于膜电极上的压强，而且由于保护条具有一定的弹性和较高的强度，既可将剪切力逐渐作用于催化膜上，又能保证保护条不会被金属材料扩散层边缘所施加的剪切力破坏。由于保护条具有一定的弹性，其边缘也不会对膜电极具有硬性剪切作用，进一步降低了剪切力对膜电极的破坏作用。保护条两侧具有耐温胶膜，可以保证在压制及使用过程中催化膜、密封框及金属材料扩散层的紧密结合。

其次，在夹持膜电极三合一（MEA）进行热压处理的两块夹板上，在与MEA接触侧设有环形凹槽结构，凹槽内放置柔性耐温垫片。在膜电极三合一压制过程中，进一步缓解了由于保护条厚度所造成的压力变化影响。

所述的金属材料扩散层的金属材料为Pt、Au、Ru、Rh、Ag、Ir、Pd、Ti、Ta中的一种；可以是金属纤维、拉伸网、编织网或者多孔薄板。

密封框材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亚胺聚苯硫醚、聚砜、聚苯胺及乙烯乙烯醇共聚物，密封框的一侧带有热熔胶。

保护条宽度为1-5mm，保护条的总厚度为扩散层厚度的0.1%-10%；保护条的外形和扩散层与密封框交界线的形状相同；保护条两侧具有耐温胶膜；保护条的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚砜、聚苯胺及乙烯乙烯醇共聚物。

环形凹槽位于夹板整个板面的中心位置；环形凹槽的中线位置与膜电极三合一中密封框与扩散层的接界线位置一致；槽的横截面可以为矩形、半圆形或其他规则形状；槽的宽度为1-5mm，槽的外沿距金属夹板的外边沿不少于10mm；槽的深度为1-5mm，不超过金属夹板厚度的90%。