[發(fā)明專利]一種質子交換膜燃料電池膜電極密封邊框

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• 申請日: 2017-02-20
• 公開（公告）號: CN106941182A
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發(fā)明（設計）人: 顧軍;張嚴
• 申請（專利權）人: 南京大學;南京東焱氫能源科技有限公司
• 主分類號: H01M8/0273
• 分類號: H01M8/0273;H01M8/0276;H01M8/10
• 代理公司: 南京蘇創(chuàng)專利代理事務所(普通合伙)32273
• 代理人: 張學彪

技術領域

本發(fā)明涉及一種質子交換膜燃料電池膜電極密封邊框。

背景技術

質子交換膜燃料電池是一種電化學電池，氫氣由陽極進入并被氧化，氧氣再陰極消耗。氫氣氧化過程中釋放質子，質子通過質子交換膜傳導至陰極。質子交換膜不傳導電子，故氫氣氧化產(chǎn)生的電子通過外電路傳遞至陰極，產(chǎn)生電流。

質子交換膜燃料電池除具有燃料電池的一般特點如能量轉化效率高、環(huán)境友好等之外，還具有可在室溫快速啟動、體積小、無電解液流失、水易排出、壽命長、比功率與比能量高等突出特點。因此，質子交換膜燃料電池具有極其廣闊的應用前景，它不僅可用于建設分散電站，也適宜于用作可移動動力電源，是軍民通用的一種新型可移動動力電源。在未來的以氫作為主要能量載體的氫能時代，它是最佳的家庭動力電源。

最原始的膜電極制備采用質子交換膜面積遠大于膜電極中的氣體擴散層(以碳紙為例)的方法，超出碳紙的部分的膜不是電化學反應活性區(qū)域，只有制備有催化劑的部分才是電化學活性區(qū)。這種方法是將超出碳紙部分的質子交換膜直接作為密封部件來防止陰陽極氣體互漏同時防止兩塊雙極板接觸而短路。此方法的缺陷在于：質子交換膜是一種價格相當昂貴的材料，大量延伸出來后沒有得到充分的利用，造成嚴重浪費。同時質子交換膜是一種易老化易破損的材料，長期在壓力下與密封材料直接接觸，更容易造成質子交換膜的破損，導致膜電極失效。

請參閱圖3所示，歐洲專利EP0604683AI采用的方法是將氣體擴散層如碳紙，大大延伸出膜電極活性區(qū)，然后將密封材料嵌入碳紙中并壓在質子交換膜上，厚度大于膜電極的厚度，這樣夾在雙極板之間就能實現(xiàn)密封。此方法的缺陷在于：在氣體擴散層上設置密封層的難度較大，同時由于密封層嵌入氣體擴散層內(nèi)部并壓緊在質子交換膜上，造成質子交換膜的失效，氣體擴散層在壓緊過程同樣也會對質子膜造成剪切破壞。

請參閱圖4所示，上海神力公司專利02283449.4采用的方法是將質子交換膜部分外延并填充滲透樹脂膠膜材料或熱固性橡膠組成，其中中間層與外延的質子交換膜端部對接，該中間層兩面附著密封層，該密封層與氣體擴散層端部對接并產(chǎn)生滲透，三層密封材料融為一體，該密封區(qū)的厚度與活性區(qū)厚度相同。此方法的缺陷在于：密封層和氣體擴散層的端部對接滲透，會影響活性區(qū)邊緣的氣體擴散，降低催化劑的使用效率，同時操作難度較大，因為密封層必須是液態(tài)或者膠質。密封層材料與氣體擴散層性質差別較大，兩者滲透交接后由于膨脹系數(shù)不同可能會導致連接處損壞。

因此，需要一種新的質子交換膜燃料電池膜電極密封邊框以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術中存在的問題，提供一種質子交換膜燃料電池膜電極密封邊框。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的質子交換膜燃料電池膜電極密封邊框采用如下技術方案：

一種質子交換膜燃料電池膜電極密封邊框，膜電極包括質子交換膜，密封邊框包括墊平層、保護層、氣體擴散層和密封層，所述質子交換膜的外延對接所述墊平層，所述質子交換膜沿所述氣體擴散層外延，所述質子交換膜的外延的兩側均設置有所述保護層，所述保護層的外側設置有氣體擴散層。

更進一步的，還包括密封層，所述保護層的外側設置有所述密封層，所述氣體擴散層的一端對接所述密封層。能夠同時實現(xiàn)外密封和內(nèi)密封作用。

更進一步的，所述墊平層的厚度與所述質子交換膜的厚度相同。方便密封結構找平。

更進一步的，所述墊平層為聚對苯二甲酸乙二醇酯墊平層、聚丙烯墊平層、聚乙烯墊平層、聚氯乙烯墊平層、聚碳酸酯墊平層、聚酰亞胺墊平層、聚四氟乙烯墊平層、聚酰胺墊平層或聚乙烯醇墊平層。

更進一步的，所述質子交換膜的外延和所述保護層之間設置有第一粘合劑層，所述保護層與所述氣體擴散層之間設置有第二粘合劑層。用將保護層和質子交換膜以及氣體擴散層結合到一起。

更進一步的，所述第一粘合劑層和/或第二粘合劑層為丁苯橡膠、SEBS、有機硅膠、硅膠、SBS、丙烯酸酯共聚物、聚氨酯類膠、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等中的一種或者多種的混合物。

更進一步的，所述密封層為橡膠類橡膠密封層、硅膠類橡膠密封層、聚氨酯類橡膠密封層或氟膠類橡膠密封層。

更進一步的，所述保護層為聚對苯二甲酸乙二醇酯保護層、聚丙烯保護層、聚乙烯保護層、聚氯乙烯保護層、聚碳酸酯保護層、聚酰亞胺保護層、聚四氟乙烯保護層、聚酰胺保護層或聚乙烯醇保護層。

更進一步的，所述保護層的厚度為0.01-0.1mm。