[发明专利]一种膜电极用胶粘剂及膜电极制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池及液流电池领域，更具体地，涉及一种膜电极用胶粘剂及膜电极，一种膜电极用热固化胶粘剂，包括热固化胶粘剂本体、改性助剂和自由基捕捉剂，所述的改性助剂为含有共轭双键的有机小分子化合物；所述自由基捕捉剂为含有金属离子的金属配合物的一种或多种混合物，和/或，含有金属离子的硬脂酸盐中的一种或多种混合物；上述胶粘剂中改性助剂可以降低胶粘剂的交联固化温度，提高效率、增强温度耐受性，自由基捕捉剂可以消灭燃料电池运行过程中产生的自由基，以减缓胶粘剂的降解，能避免添加多种只有单一功能的添加剂影响胶粘剂的粘接性能。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池、液流电池领域，具体涉及一种膜电极用胶粘剂及膜电极制备方法。

背景技术

燃料电池能够将燃料和氧化剂的化学能转换为电能，其能量转换效率不受卡诺热机循环理论效率的限制，具有高效、环境友好、安静、可靠性高等优点，在众多领域具有广阔的发展前景。

其中质子交换膜燃料电池功率密度高、启动快、对负载变化响应快，成为交通运输领域能源重要发展方向。燃料电池是几十至几百个膜电极的组合体，膜电极是燃料电池电堆的心脏，其性能和使用寿命决定了燃料电池的使用条件和寿命，在电池的运行过程中，只要有任何一个膜电极出现损坏及漏气，整个电池就不能工作。膜电极作为燃料电池的核心组件，主要由阳极气体扩散层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层和阴极气体扩散层组成。当前膜电极的主流封装方法是双边框封装法，首先在质子交换膜的两面分别涂布阳极催化剂层和阴极催化剂层，制备出具有三层结构的催化剂涂布膜，然后把催化剂涂布膜的边缘与两个边框边缘通过胶粘剂粘接密封起来，形成一个五层组件，最后两层气体扩散层分别通过胶粘剂来粘接边框，形成七层的膜电极。现有技术中也有采用单边框封装技术的膜电极，但是无论是制备双边框结构的膜电极还是单边框结构的膜电极，都需要使用胶粘剂。胶粘剂在膜电极中不仅起到粘接固定作用，还起到密封作用，防止燃料电池在运行过程中出现催化剂涂布膜损坏及漏气现象，因此，胶粘剂的粘接性和稳定性对膜电极的性能和使用寿命有很大影响。胶粘剂的成分一般是高分子聚合物。在燃料电池运行过程中，氢气和氧气在铂金催化剂的作用下产生过氧化氢，过氧化氢与膜电极中的金属离子杂质反应产生自由基，从而攻击胶粘剂的高分子链，使胶粘剂发生降解从而失效，导致膜电极气密性降低，而且，胶粘剂降解产生的中间体或者产物可能会毒化燃料电池催化剂以及降解质子交换膜，进而影响膜电极的性能和使用寿命。

目前出现一些将添加剂用于膜电极各层的活性区域内的技术，这些添加剂可清除反应时产生的过氧化氢和自由基。然而，由于膜电极的活性区域和粘接区域的环境不一样，这些添加剂在其中存在的方式也不同，而且添加在活性区域的添加剂扩散速度及流失速度较快，难以对膜电极起到长时间的保护，难以大幅提高燃料电池的寿命。中国专利“一种膜电极用胶粘剂及膜电极”(公开号：CN113736390A，申请日：2021.09.03)公开了一种胶粘剂，胶粘剂中添加的有机光敏剂既可促进胶粘剂交联固化，提高其固化效率，又可作为自由基捕捉剂消灭燃料电池运行过程中产生的自由基。但是，对于边框的基材必须选择透光性良好的材料、边框处的质子膜必须是留白的(透明无催化剂)，具有更高耐久性优势的聚酰亚胺和聚苯硫醚等无法使用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种膜电极用胶粘剂，该胶粘剂适合各种基膜使用、稳定性高、成本低、固化方式灵活，制备出的膜电极既能保证具有很好的粘结力、气密性，又能耐受运行中各种环境，不需要大规模的提高工艺设备即可实现，成本低适合规模化生产。

本发明技术原理如下：

燃料电池膜电极边框的主要功能包括为膜电极活性区提供支撑、气体密封和冷却液密封及绝缘作用。常用的膜电极边框构成：质子交换膜或者双侧涂有催化剂的质子交换膜，双侧与含胶粘剂的基膜粘而成的。由于燃料电池的运行环境是一个高温、高湿度、酸性、自由基和防冻液的环境，因此对胶粘剂材料要求非常高。材料除了要耐受上述环境之外，边框中胶粘剂固化后还要保证一定的韧性。