[发明专利]一种聚合物电解质膜电极的封边框工艺

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种聚合物电解质膜电极的封边框工艺，其适合于质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性离子膜燃料电池以及纯水电解池等电化学反应器用膜电极的封边框。

背景技术

聚合物电解质燃料电池（以下称为燃料电池）作为一种将化学能通过电化学反应的方式直接转化为电能的高效、高功率密度、环境友好的发电装置，被誉为能使地球降温的21项关键创新能源技术之一，在中小型电站、电动车和便携式电源等方面具有广阔的应用前景。纯水聚合物电解质电解池（以下称为纯水电解池）是燃料电池的逆反应器，能高效地将纯水电催化分解为氢气和氧气，在太阳能、风能等新能源电解制氢贮能方面具有广阔的应用前景。膜电极是燃料电池和纯水电解池的核心部件，是其性能、寿命、成本以及可靠性的决定因素，因此膜电极的制备技术及性能水平决定一个国家燃料电池和纯水电解池技术的先进程度以及有无商业化前景。膜电极从结构上大体可分为三合一组件（又称CCM，Catalyst Coating Membrane）和五合一组件，膜电极三合一组件主要由催化层|聚合物电解质膜|催化层构成，膜电极五合一组件主要由气体扩散层|催化层|聚合物电解质膜|催化层|气体扩散层构成，对于燃料电池来说是氧分子还原和氢分子氧化的电催化反应场所，对于电解池来说则是氢离子还原和氧离子氧化的电催化反应场所，同时也是质子、电子、气体、水传递的场所。一个理想的膜电极电化学结构应该具有较大的三相反应界面和高效的传质微结构以及在层间界面上具有通畅的传质通道对接。在膜电化学反应器的发展进程中，已发展了多种膜电极的制备方法，根据电催化剂负载方法不同可分为机械热压法（称为第一代）、直接喷涂法（称为第二代）、定向生长法（称为第三代）以及化学沉积法、电化学沉积法、物理溅射法等实验室内用于研究的制备方法，其中，第二代与第三代膜电膜制备方法是商业化生产的主流制备方法，比第一代膜电极大大减少了贵金属催化剂铂金的担载量。

在传统的燃料电池或电解池的组装中，需要膜电极部件中聚合物电解质膜面积大于催化层和扩散层的面积，即预留聚合物电解质膜空白边缘（未附着催化剂），该聚合物电解质膜空白边缘与两侧密封件配合在一起并在压力的作用下将阳极流场和阴极流场分隔开，起到防止氢氧气体混合发生爆炸的重要作用。因此膜电极不仅关系到电化学反应器的性能、寿命，而且还关系到电化学反应器的安全。然而传统的膜电极结构仍然不能满足电化学反应器的成本和安全的需求：一是膜电极空白聚合物边缘极易折皱，影响电化学反应器的密封性能；二是由于聚合物电解质膜与水的作用具有溶胀和收缩的反复应力，容易使聚合物电解质膜开裂破损，影响电化学反应器的可靠性和安全性；三是预留空白聚合物电解质膜用于电化学反应器的密封存在成本较高的问题。因此必须对膜电极的边缘进行技术改进，以提高电化学反应器的密封性、可靠性、安全性并降低成本。目前，针对以上问题，通常采用在膜电极聚合物电解质膜空白边缘上制备边框，将聚合物电解质膜空白边缘夹在两层边框之间的方法来提高膜电极边缘的机械强度，并稳定膜电极尺寸的作用，如专利[US3134697、CN200480030791.7、CN200810197098.9]中均有介绍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚合物电解质膜电极的封边框工艺。

本发明的技术方案如下：

一种聚合物电解质膜电极的封边框工艺，包括以下步骤：

1）确保膜电极尺寸完整性，无针孔和破损，将膜电极进行阴、阳极标示，并对标示后的膜电极进行边缘切割，使聚合物电解质膜空白边缘（未载有催化剂）能置入两层边框之间，置入深度不少于3mm且不超过边框范围；

2）将步骤1）外理的膜电极平铺在基板上，采用模具对膜电极进行定位，确保催化层位于边框圈闭区域内部中心位置，将第一层边框固定在膜电极一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，然后将第二层边框固定在膜电极另一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，并确保两层边框层叠对应一致；

3）检查、确保步骤2）中边框|膜电极|边框三合一之间无聚合物电解质膜卷曲或存在杂物；将上述边框|膜电极|边框三合一组件置入两层金属薄膜内，并进行热压成型；

4）对步骤3）热压成型后的边框进行检查，确保边框无褶皱、边框内无气孔；并对合格品进行修边；然后放置于氮气保护环境保存待用。

步骤1）中所述聚合物电解质膜为离子交换膜。

步骤2）中定位模具的材质为金属、PTFE或玻璃。

步骤2）中所述第一层边框厚度为30～300μm。

步骤2）中所述第二层边框厚度为30～300μm。