[發明專利]一種燃料電池膜電極密封裝置及其制備方法

有效

• 申請號: 201911383536.5
• 申請日: 2019-12-28
• 公開（公告）號: CN111129539B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 米新艷;崔新然;曹婷婷;秦磊;王茁;李軍澤;馬千里;于力娜;張克金
• 申請（專利權）人: 一汽解放汽車有限公司
• 主分類號: H01M8/0273
• 分類號: H01M8/0273;H01M8/0276;H01M8/02
• 代理公司: 北京遠智匯知識產權代理有限公司 11659
• 代理人: 王巖

本發明提供一種燃料電池膜電極密封裝置及其制備方法，所述燃料電池膜電極密封裝置包括燃料電池膜電極及其外周的密封邊框，所述燃料電池膜電極包括質子交換膜、第一催化層、第二催化層、第一擴散層和第二擴散層，密封邊框與燃料電池膜電極之間通過膠粘劑層形成密封結構；所述膠粘劑實現了擴散層、三層膜電極和密封邊框的一次性粘接，并對擴散層邊緣和密封邊框內緣進行全包圍密封，有效隔絕了外界溫度和濕度對膜電極本體的影響，使膜電極的使用壽命和穩定性顯著提升。所述燃料電池膜電極密封裝置制備方法簡單，通過密封邊框和五層膜電極在注膠的夾具中一次熱壓即可得到，工藝步驟更加簡化，降低了資源和時間成本，具有更高的實用價值。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種燃料電池膜電極密封裝置及其制備方法。

背景技術

隨著環保和節能減排要求的不斷提高，機動車驅動力由傳統能源向新能源轉變是未來的發展方向，國家制造2025中十大發展方向之一就包括新能源發展戰略。新能源包括清潔替代燃料、二次儲能電池和燃料電池汽車。二次儲能電池由于其理論能量密度的限制、安全問題、充電效率和壽命難以大幅度提高的問題以及回收利用的難度都會影響其在車用動力系統方面的大規模應用。燃料電池作為燃料補充型發電系統，不受體積和質量能量密度的限制，能量利用率能夠達到50％以上，能源清潔度整體高于二次儲能電池；而且氫氣來源廣泛，加氫速度類似于汽油加注，一次加注續駛里程400～700公里，運行壽命長，整體性能非常適宜作為車載動力源使用，是替代傳統能源車最有前景的新能源動力產品。

燃料電池的核心是三相反應場膜電極，膜電極的性能和耐久性直接決定著燃料電池電堆和系統的性能和耐久，是電池反應的心臟。膜電極的制備工藝主要分為兩種，一種是將催化劑涂覆于氣體擴散層上，然后將陰、陽兩片氣體擴散電極熱壓在質子交換膜的兩側，該工藝內阻較大、催化劑利用率較低；另一種是將催化劑涂覆于質子交換膜上制成CCM(Catalyst Coated Membrane)，然后將碳紙熱壓與CCM兩側，該工藝得到的膜電極內阻小、且催化劑的利用率高，因此應用更為廣泛。膜電極的CCM部分對溫濕度十分敏感，因此一般采用表面覆蓋氣體擴散層的形式進行保護，邊緣采用導電膠封裝；為避免質子交換膜暴露于外界環境，采用硬質塑料邊框粘合封裝且同時在硬質邊框邊緣構建水、氣接口通道，形成包含邊框的膜電極密封裝置。

目前，膜電極密封裝置及其制備方法是燃料電池領域的研究熱點，例如CN109390610A公開了一種燃料電池膜電極生產封裝工藝，包括以下步驟：將裁切下的邊框按序每層逐漸裝至對位裝置上，使用可調壓板將需要熱封的一側密封邊框進行壓平壓實；然后使用熱封系統對膜電極密封邊框進行預處理；將預處理后的膜電極密封邊框吹掃干凈后，在兩層邊框間放入質子交換膜，合上兩層密封邊框，密封邊框完成對位調整，以保證膜電極在密封邊框中的相對位置；再將調整好相對位置的膜電極和密封邊框整體三層壓入上下保護層，進入熱壓系統熱壓定型。CN106992305A公開了一種燃料電池膜電極邊框制備方法，所述制備方法包括以下步驟：首先取切割完成的離子交換膜置于底板的定位加工區域上鋪平；然后取切割好的壓敏膠膜邊框以及膠層面朝外安置在滾輥表面并鋪平，滾輥沿底板滾動，使得離子交換膜與壓敏膠膜邊框粘合并制成半成品；最后將半成品的膠層面朝上放置在底板的定位加工區域，取另一層切割好的壓敏膠膜邊框以膠層面朝外安置在復位的滾輥表面并鋪平，滾輥重復沿底板滾動，使得半成品與另一層壓敏膠膜邊框粘合，即得到膜電極邊框。

然而現有的膜電極密封裝置的制備方法包括以下四個工藝步驟：制備CCM、粘結硬質邊框、點膠、粘結壓合氣體擴散層，其中包含2個粘結工序，不僅工藝繁瑣，而且氣體擴散層邊緣和膜電極本體處還有可能因粘接不嚴造成外界空氣與質子膜相接觸，引起質子交換膜在儲存過程中的不可恢復的翹曲變形，嚴重影響電堆的封裝氣密性，造成資源的浪費。為了解決上述問題，部分膜電極制備工藝放棄了粘接封裝結構而采用全包圍封裝和氣道、極板密封條一體注膠成型，該結構隔絕了膜電極和外界環境，但膠體彈性大，定位功能喪失，因此在后期電堆組裝時容易形成牙錯。

因此，開發一種密封效果更好、膜電極穩定性更高、易于定位且制備工藝更為簡單的膜電極密封裝置，是本領域的研究重點。