[发明专利]一种燃料电池膜电极密封装置及其制备方法

说明书

本发明提供一种燃料电池膜电极密封装置及其制备方法，所述燃料电池膜电极密封装置包括燃料电池膜电极及其外周的密封边框，所述燃料电池膜电极包括质子交换膜、第一催化层、第二催化层、第一扩散层和第二扩散层，密封边框与燃料电池膜电极之间通过胶粘剂层形成密封结构；所述胶粘剂实现了扩散层、三层膜电极和密封边框的一次性粘接，并对扩散层边缘和密封边框内缘进行全包围密封，有效隔绝了外界温度和湿度对膜电极本体的影响，使膜电极的使用寿命和稳定性显著提升。所述燃料电池膜电极密封装置制备方法简单，通过密封边框和五层膜电极在注胶的夹具中一次热压即可得到，工艺步骤更加简化，降低了资源和时间成本，具有更高的实用价值。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池膜电极密封装置及其制备方法。

背景技术

随着环保和节能减排要求的不断提高，机动车驱动力由传统能源向新能源转变是未来的发展方向，国家制造2025中十大发展方向之一就包括新能源发展战略。新能源包括清洁替代燃料、二次储能电池和燃料电池汽车。二次储能电池由于其理论能量密度的限制、安全问题、充电效率和寿命难以大幅度提高的问题以及回收利用的难度都会影响其在车用动力系统方面的大规模应用。燃料电池作为燃料补充型发电系统，不受体积和质量能量密度的限制，能量利用率能够达到50％以上，能源清洁度整体高于二次储能电池；而且氢气来源广泛，加氢速度类似于汽油加注，一次加注续驶里程400～700公里，运行寿命长，整体性能非常适宜作为车载动力源使用，是替代传统能源车最有前景的新能源动力产品。

燃料电池的核心是三相反应场膜电极，膜电极的性能和耐久性直接决定着燃料电池电堆和系统的性能和耐久，是电池反应的心脏。膜电极的制备工艺主要分为两种，一种是将催化剂涂覆于气体扩散层上，然后将阴、阳两片气体扩散电极热压在质子交换膜的两侧，该工艺内阻较大、催化剂利用率较低；另一种是将催化剂涂覆于质子交换膜上制成CCM(Catalyst Coated Membrane)，然后将碳纸热压与CCM两侧，该工艺得到的膜电极内阻小、且催化剂的利用率高，因此应用更为广泛。膜电极的CCM部分对温湿度十分敏感，因此一般采用表面覆盖气体扩散层的形式进行保护，边缘采用导电胶封装；为避免质子交换膜暴露于外界环境，采用硬质塑料边框粘合封装且同时在硬质边框边缘构建水、气接口通道，形成包含边框的膜电极密封装置。

目前，膜电极密封装置及其制备方法是燃料电池领域的研究热点，例如CN109390610A公开了一种燃料电池膜电极生产封装工艺，包括以下步骤：将裁切下的边框按序每层逐渐装至对位装置上，使用可调压板将需要热封的一侧密封边框进行压平压实；然后使用热封系统对膜电极密封边框进行预处理；将预处理后的膜电极密封边框吹扫干净后，在两层边框间放入质子交换膜，合上两层密封边框，密封边框完成对位调整，以保证膜电极在密封边框中的相对位置；再将调整好相对位置的膜电极和密封边框整体三层压入上下保护层，进入热压系统热压定型。CN106992305A公开了一种燃料电池膜电极边框制备方法，所述制备方法包括以下步骤：首先取切割完成的离子交换膜置于底板的定位加工区域上铺平；然后取切割好的压敏胶膜边框以及胶层面朝外安置在滚辊表面并铺平，滚辊沿底板滚动，使得离子交换膜与压敏胶膜边框粘合并制成半成品；最后将半成品的胶层面朝上放置在底板的定位加工区域，取另一层切割好的压敏胶膜边框以胶层面朝外安置在复位的滚辊表面并铺平，滚辊重复沿底板滚动，使得半成品与另一层压敏胶膜边框粘合，即得到膜电极边框。

然而现有的膜电极密封装置的制备方法包括以下四个工艺步骤：制备CCM、粘结硬质边框、点胶、粘结压合气体扩散层，其中包含2个粘结工序，不仅工艺繁琐，而且气体扩散层边缘和膜电极本体处还有可能因粘接不严造成外界空气与质子膜相接触，引起质子交换膜在储存过程中的不可恢复的翘曲变形，严重影响电堆的封装气密性，造成资源的浪费。为了解决上述问题，部分膜电极制备工艺放弃了粘接封装结构而采用全包围封装和气道、极板密封条一体注胶成型，该结构隔绝了膜电极和外界环境，但胶体弹性大，定位功能丧失，因此在后期电堆组装时容易形成牙错。

因此，开发一种密封效果更好、膜电极稳定性更高、易于定位且制备工艺更为简单的膜电极密封装置，是本领域的研究重点。