[發(fā)明專(zhuān)利]一種制備燃料電池膜電極密封邊框的對(duì)位方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210016352.7
• 申請(qǐng)日: 2012-01-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102569844A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 潘牧;艾勇誠(chéng);李笑暉;宛朝輝;廖鑫;陳磊;胡阿勇
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 武漢理工新能源有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01M8/02
• 分類(lèi)號(hào): H01M8/02
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專(zhuān)利代理有限公司 42102
• 代理人: 張安國(guó);伍見(jiàn)

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種聚合物離子交換膜燃料電池膜電極制備技術(shù)，具體為膜電極制備過(guò)程中密封邊框活性區(qū)域的對(duì)位方法。

發(fā)明背景

聚合物離子交換膜燃料電池(PEMFC)具有高功率密度，高能量轉(zhuǎn)換效率，低溫啟動(dòng)，環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，最有希望成為零污染排放電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源，使其在全球能源危機(jī)和環(huán)境日益惡化的今天，成為國(guó)際高新技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)之一。膜電極(MEA)是聚合物離子交換膜燃料電池最為關(guān)鍵的組件，而其中的聚合物離子交換膜起到傳導(dǎo)質(zhì)子、阻隔電子在電池內(nèi)部直接構(gòu)成回路以及阻斷氫氣和氧氣/空氣直接接觸(即密封)的作用。但由于聚合物離子交換膜厚度非常薄，在電池組裝過(guò)程中易造成機(jī)械損傷。在使用過(guò)程中，聚合物離子交換膜又容易受濕度影響而發(fā)生尺寸的改變，會(huì)進(jìn)一步加劇機(jī)械損傷，從而在使用一段時(shí)間后出現(xiàn)破損，無(wú)法真正達(dá)到密封的效果。于是針對(duì)這種情況出現(xiàn)了很多的密封方法，由于采用的密封方法多種多樣，使得膜電極的制備過(guò)程也各不相同。

[CN200480030791.7]介紹了一種帶密封材料的核心組件及膜電極。它采用熱塑性聚合物、彈性密封體以及熱固性聚合物為密封材料。聚合物離子交換膜的邊緣有密封材料保護(hù)，氣體擴(kuò)散層均采用密封材料使陰極和陽(yáng)極反應(yīng)物隔絕。

[US6159628]介紹的燃料電池包括多孔基底，他們周邊充滿熱塑性材料。

[CN200380105886.6]和[US6057054]介紹了一種膜電極，聚合物離子交換膜與氣體擴(kuò)散層是通過(guò)熱塑性塑料粘結(jié)的。

[US6165634]公開(kāi)了一種燃料電池組的密封方法，所述燃料電池組件的周邊區(qū)域通過(guò)密封材料浸漬或粘附在一起，所述密封材料覆蓋了所述電池組件的外邊緣。

[US6159628]和[US2001/0001052]公開(kāi)了一種具有邊緣密封基材的MEA，所述邊緣密封基材是通過(guò)將熱塑性聚合物擠入所述基材的周邊形成的。所述邊緣密封基材是通過(guò)將熱塑性聚合物材料粘附到聚合物離子交換膜上。

上述各方法有的是預(yù)先設(shè)置了密封材料的內(nèi)外區(qū)域界線，有的是確定了活性區(qū)域然后設(shè)置密封材料，因此對(duì)密封材料的對(duì)位精度沒(méi)有嚴(yán)格要求。但以上各制備膜電極邊框的方法工藝復(fù)雜，工序繁多，不利于燃料電池膜電極的高效率批量化制備。

[CN200810197098.9]介紹了一種制備帶密封邊框膜電極的方法，該方法的特點(diǎn)是在延伸出氣體擴(kuò)散層的聚合物離子交換膜的兩面分別覆合一層密封邊框，這種結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了膜電極的可加工性和工藝穩(wěn)定性。

[CN201010125455.8]提出了一種邊框疊層結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)獨(dú)特的加工制備方法，使得覆合密封邊框的過(guò)程中聚合物離子交換膜機(jī)械強(qiáng)度更好，尺寸穩(wěn)定性和加工可行性更好。

上述兩個(gè)專(zhuān)利有效的改進(jìn)了膜電極密封的結(jié)構(gòu)和制備工藝，降低了加工難度，適合于大批量連續(xù)化制備燃料電池膜電極，但其提及的密封結(jié)構(gòu)對(duì)于密封邊框?qū)ξ痪染哂休^高的要求。而密封邊框活性區(qū)域?qū)ξ黄钸^(guò)大會(huì)帶來(lái)一系列不良后果，主要有以下幾個(gè)方面：

(1)影響膜電極的加工。氣體擴(kuò)散層需要在密封邊框的位置基礎(chǔ)上覆合，密封邊框?qū)ξ痪炔桓?，使氣體擴(kuò)散層的覆合位置受到影響，如果位置對(duì)應(yīng)精度太低，會(huì)造成加工時(shí)聚合物離子交換膜的損傷甚至破損；

(2)降低燃料電池堆的功率密度和可靠性。為了提高對(duì)較差精度膜電極的適應(yīng)性，并使得各部件對(duì)準(zhǔn)，電堆的各部件尺寸需要相應(yīng)的做得更大一些，降低了電堆的功率密度；同時(shí)裝配尺寸的偏差會(huì)帶來(lái)諸如流道堵塞、聚合物離子交換膜破損、進(jìn)出口串氣、氣體泄露等很多問(wèn)題，容易導(dǎo)致氫氣和氧氣混合，在催化劑存在的條件下甚至有爆炸的危險(xiǎn)，大大降低了燃料電池堆的可靠性；

(3)降低燃料電池的耐久性。精度太差造成膜電極各部件不正確的位置關(guān)系，使得膜電極經(jīng)過(guò)較短時(shí)間的運(yùn)行就出現(xiàn)聚合物離子交換膜的破損，從而導(dǎo)致燃料電池的失效，減小了燃料電池的壽命；

(4)造成資源的浪費(fèi)。膜電極密封邊框?qū)ξ痪炔桓?，影響了膜電極各部件的匹配關(guān)系，使得部分催化劑未處在正確的位置，從而無(wú)法發(fā)揮其應(yīng)有的功能，造成昂貴的貴金屬催化劑的浪費(fèi)，同時(shí)也造成了價(jià)格同樣昂貴的聚合物離子交換膜的浪費(fèi)；

(5)造成燃料電池輸出功率的減少。膜電極陰陽(yáng)極密封邊框的錯(cuò)位，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)位區(qū)域的催化劑無(wú)法發(fā)揮其應(yīng)有的電催化功能而減少輸出功率，根據(jù)計(jì)算，膜電極密封邊框的對(duì)位精度每降低1％，輸出功率就會(huì)相應(yīng)地減少4％。