CN101800298B

CN101800298B - 一种边框叠层材料及其在制备带密封边框核心组件膜电极上的应用

Info

Publication number: CN101800298B
Application number: CN2010101254558A
Authority: CN
Inventors: 潘牧; 艾勇诚; 宛朝辉; 李虎; 胡阿勇; 陈磊; 田明星
Original assignee: WUHAN WUT NEW ENERGY CO Ltd
Current assignee: WUHAN WUT NEW ENERGY CO Ltd
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2010-03-11
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2030-03-11
Also published as: CN101800298A

Abstract

一种边框叠层材料及其在制备带密封边框核心组件膜电极上的应用。该边框叠层材料为支撑膜、第一粘附层、边框膜、第二粘附层和保护膜依次相叠结构。用于制备带密封边框核心组件膜电极时，在阳极密封边框及阴极密封边框的制备完成之前对边框叠层按照一定的规则进行冲裁，且在制备过程中始终有支撑膜的存在以加强边框叠层的厚度及强度，使得边框叠层具有较好的加工可行性和尺寸稳定性，制备的密封边框具有较高的对位精度，制备过程更易于控制。密封边框制备完成之后剥去支撑膜。催化剂层在密封边框制备之前或之后涂覆到聚合物离子交换膜的活性区域，制备成带密封边框的核心组件，再分别与阳极气体扩散层和阴极气体扩散层覆合制备得到膜电极。

Description

一种边框叠层材料及其在制备带密封边框核心组件膜电极上的应用

发明领域

本发明涉及一种制备带密封边框核心组件的膜电极的方法，其中阳极密封边框和阴极密封边框在制备时所使用的原材料为一种叠层材料。

发明背景

聚合物离子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高功率密度，高能量转换效率，低温启动，环境友好等优点，最有希望成为零污染排放电动汽车的动力源，使其在全球能源危机和环境日益恶化的今天，成为国际高新技术竞争的热点之一。膜电极(MEA)是聚合物离子交换膜燃料电池最为关键的组件，主要由两张导电性很好的多孔气体扩散层和夹在中间的一层聚合物离子交换膜组成，在聚合物离子交换膜与气体扩散层两边的界面上均匀分布有大量细小分散的可引发电化学反应的催化剂，氢气与氧气(空气)分别经过相对的气体扩散层均匀分散到催化剂表面发生电化学反应，通过导体将电化学反应中产生的电子通过外电路引出，构成电路回路。

聚合物离子交换膜燃料电池中的聚合物离子交换膜起到传导质子、阻隔电子在电池内部直接构成回路以及阻断氢气和氧气(空气)直接接触的作用。为了减少质子传导的阻力，在离子交换膜燃料电池领域，世界上普遍使用厚度小于50μm的离子交换膜，尤其优先选择厚度小于30μm的离子交换膜。

[US3134697，EP700108A2]介绍了一种膜电极，它的聚合物离子交换膜尺寸大于气体扩散层，当膜电极在密封时，超出气体扩散层的聚合物离子交换膜被夹在电池极板之间。

上述这种方法的特点是，不采用其它密封材料而单纯使用聚合物离子交换膜作为气体及电流阻隔层。由于聚合物离子交换膜厚度非常薄，在电池组装过程中易造成机械损伤。在使用过程中，聚合物离子交换膜又容易受湿度影响而发生尺寸的改变，会进一步加剧机械损伤，从而在使用一段时间后出现破损，无法真正达到密封的效果。于是针对这种情况出现了很多的密封方法，由于采用的密封方法多种多样，使得膜电极的制备过程也各不相同。

[US6261711]介绍了燃料电池的密封圈，燃料电池包含的密封圈位于燃料电池流场板的凹槽内。

[US5464700]介绍了一种燃料电池膜电极组件(MEA)用的垫圈系统，用来尽可能减少燃料电池中聚合物电解质膜材料的量，具体方法是在周边采用垫圈材料，而不是聚合物电解质膜材料。

[CN200480030791.7]介绍了一种带密封材料的核心组件及膜电极。它采用热塑性聚合物、弹性密封体以及热固性聚合物为密封材料。离子交换膜的边缘有密封材料保护，气体扩散层均采用密封材料使阴极和阳极反应物隔绝。

[US6159628]介绍的燃料电池包括多孔基底，他们周边充满热塑性材料。

[CN200380105886.6]和[US6057054]介绍了一种膜电极，聚合物离子交换膜与气体扩散层是通过热塑性塑料粘结的。

[US6165634]公开了一种燃料电池组的密封方法，所述燃料电池组件的周边区域通过密封材料浸渍或粘附在一起，所述密封材料覆盖了所述电池组件的外边缘。

[US6159628]和[US2001/0001052]公开了一种具有边缘密封基材的MEA，所述边缘密封基材是通过将热塑性聚合物挤入所述基材的周边形成的。所述边缘密封基材是通过将热塑性聚合物材料粘附到聚合物离子交换膜上。

[CN200810197098.9]介绍了一种制备带密封边框膜电极的方法，该方法的特点是在延伸出气体扩散层的聚合物离子交换膜的两面分别覆合一层密封边框，这种3层结构大大增强了膜电极边缘密封材料的强度。这种方法在制备该密封边框的过程中，需要对多层的边框叠层进行完全的冲断处理。

本发明也是在膜电极边缘的聚合物离子交换膜的两面各覆合一层密封边框。但和上述各发明所不同的是，本发明在制备密封边框时，对多层边框叠层的部分层进行全冲断处理，而部分层进行半冲断处理，并进行剥膜和贴合，使得制备过程中始终有支撑膜的存在以加强边框叠层的厚度及强度，使得边框叠层具有较好的加工可行性和尺寸稳定性，制备的密封边框具有较高的对位精度，制备过程更易于控制，大大地提高了生产可行性，提高了连续化生产的效率。

发明内容

本发明目的旨在提供一种边框叠层材料及其在制备带密封边框核心组件膜电极上的应用。用这种边框叠层材料制备的密封边框具有较高的对位精度，制备过程更易于控制，适合于大规模连续化生产。

本发明所述的带密封边框核心组件的膜电极，其结构包括：

a)聚合物离子交换膜，它有一个阳极面，一个阴极面，以及外边缘；

b)阳极催化剂层，它与所述聚合物离子交换膜的至少一部分阳极面相接触；

c)阴极催化剂层，它与所述聚合物离子交换膜的至少一部分阴极面相接触；

d)阳极密封边框，它具有接触面和外边缘，其接触面与所述的聚合物离子交换膜的至少一部分阳极面相接触，其外边缘与聚合物离子交换膜的外边缘共面或阳极密封边框完全覆盖聚合物离子交换膜外边缘；

e)阴极密封边框，它具有接触面和外边缘，其接触面与所述的聚合物离子交换膜的至少一部分阴极面相接触，其外边缘与聚合物离子交换膜的外边缘相齐或阴极密封边框完全覆盖聚合物离子交换膜外边缘；

f)阳极气体扩散层，它与所述的阳极催化剂层至少一部分相接触；

g)阴极气体扩散层，它与所述的阴极催化剂层至少一部分相接触。

本发明在制备带密封边框核心组件的膜电极阳极密封边框和阴极密封边框时使用一种边框叠层材料。

实现本发明目的的技术方案：

一种边框叠层材料，其特征是，该边框叠层材料为支撑膜、第一粘附层、边框膜、第二粘附层和保护膜依次相叠结构；

其中，所述的支撑膜，它居于一面最外侧起支撑叠层结构的作用，同时也具有保护边框膜作用，支撑膜为树脂、橡胶、塑料、纸或金属材料构成，或上述任意两种以上材料构成的复合材料，支撑膜的厚度为0.010～1.000mm，优选厚度为0.040～0.200mm，更优选厚度为0.060～0.100mm；

所述的第一粘附层，它附着于支撑膜，起到粘附支撑膜和边框膜的作用，构成第一粘附层的物质是具有粘结作用的物质，第一粘附层的厚度为0.001～0.100mm，优选厚度为0.002～0.050mm，更优选厚度为0.005～0.020mm；

所述的边框膜，它与第一粘附层相接触，是在制备膜电极时，构成阳极密封边框层和阴极密封边框层的关键材料，具有阻隔反应气、阻隔电流、增加聚合物离子交换膜机械强度及保护聚合物离子交换膜等作用，所述的边框膜由树脂、橡胶、塑料或纸构成，或上述任意两种以上材料构成的复合材料，边框膜的厚度为0.005～0.400mm，优选厚度为0.010～0.200mm，更优选厚度为0.015～0.100mm；

所述的第二粘附层，它附着于边框膜，在制备膜电极时，是构成阳极密封边框和阴极密封边框的重要材料，起到粘附聚合物离子交换膜和边框膜的作用，第二粘附层是由具有粘结作用的物质构成；第二粘附层的厚度为0.001～0.100mm，优选厚度为0.002～0.050mm，更优先厚度为0.005～0.020mm；

所述的保护膜，它居于另一面最外侧，起保护第二粘附层及边框膜的作用，所述的保护膜由树脂、橡胶、塑料、纸或金属材料构成，或上述任意两种以上材料构成的复合材料构成；保护膜厚度为0.005～0.500mm，优选厚度为0.010～0.100mm，更优选厚度为0.015～0.050mm。

所述的边框叠层，还包括如下特点：

1)在剥去保护膜时，第二粘附层不会被保护膜带走，而完整的附着于边框膜上；

2)在剥去支撑膜时，第一粘附层会被支撑膜完全带走，不会有任何一部分附着于边框膜。

本发明的边框叠层材料用于制备带密封边框核心组件的膜电极中。

本发明采用所述的边框叠层材料制备带密封边框核心组件的膜电极时，在覆合聚合物离子交换膜前会将其边框膜及第二粘附层冲裁出活性区域；所述的边框膜的活性区域及第二粘附层的活性区域，是一个挖空的区域，该区域的特点为在制备成膜电极后能允许反应物从气体扩散层传输到催化剂层。

采用所述的边框叠层材料制备带密封边框核心组件的膜电极的过程为：

1)、将边框叠层冲裁分为非活性区域和活性区域：从保护膜的一面向支撑膜一面进行冲裁，冲裁的深度小于总厚度，不小于保护膜+第二粘附层+边框膜+第一粘附层的厚度之和，活性区域的保护膜、第二粘附层、边框膜及第一粘附层的完全冲断，将支撑膜半冲断而能继续起到支撑及保护作用；

2)、先剥去边框叠层的活性区域的保护膜、活性区域的第二粘附剂层、活性区域的边框膜，及非活性区域的保护膜，然后让边框叠层利用非活性区域的第二粘附层与聚合物离子交换膜覆合，覆合完成后，剥去支撑膜及第一粘附层，得到带阳极密封边框和阴极密封边框的聚合物离子交换膜；

3)、将阳极催化剂层和阴极催化剂层分别涂覆到阳极密封边框和阴极密封边框一侧的聚合物离子交换膜的活性区域，制备成带密封边框的核心组件，再分别与阳极气体扩散层和阴极气体扩散层气体扩散层覆合，即制得带密封边框核心组件的膜电极。

在所述的制备过程2)中，或者先剥去边框叠层的非活性区域的保护膜，而保留活性区域的保护膜、活性区域的第二粘附层及活性区域的边框膜，然后让边框叠层利用非活性区域的第二粘附层与聚合物离子交换膜覆合，覆合完成后，剥去支撑膜、第一粘附层、活性区域的边框膜、活性区域的第二粘附层以及活性区域的保护膜，得到带阳极密封边框和阴极密封边框的聚合物离子交换膜。

所述的膜电极在制备时，先在聚合物离子交换膜的阳极面和阴极面分别涂敷阳极催化剂层和阴极催化剂层，然后分别覆合阳极密封边框和阴极密封边框；或者先在聚合物离子交换膜的阳极面和阴极面分别覆合阳极密封边框和阴极密封边框，然后再分别涂敷阳极催化剂层和阴极催化剂层；最后分别覆合阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，制得带密封边框核心组件的膜电极。

所述的聚合物离子交换膜由聚合物电解质组成，具有带磺酸根基团的支链，且聚合物中不含有在水溶液中可以电离的其它基团的聚合物。可以是全氟磺酸树脂、磺化三氟苯乙烯、聚甲基苯基磺酸硅氧烷、磺化聚醚醚酮、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物、磺化聚苯乙烯-聚乙烯与丁烯-聚苯乙烯、以及其它符合该条件的聚合物。例如

(Dupont Chemical，Wilmington DE)和FlemionTM(Asahi Glass Co.Ltd.，Tokyo，Japan)。所述的聚合物离子交换膜厚度通常小于0.100mm，优选小于0.050mm，最优选小于0.030mm。所述聚合物电解质最优选是

所述聚合物电解质的当量通常为1200或者更小，更优选为1100或更小，最优选当量约1000。

选用的聚合物离子交换膜，为了增加强度，利于阳极密封边框及阴极密封边框的制备，可以为如图4所示的叠层结构，图4中6为第一保护膜，7为聚合物离子交换膜，8为第二保护膜。第一保护膜和第二保护膜由聚合物构成，聚合物包括树脂、橡胶或塑料。第一保护膜和第二保护膜厚度为0.002～0.2mm，优选厚度为0.005～0.1mm。

本发明实践中，边框叠层材料的边框膜选用聚合物，可以是聚酰胺(PA)、耐热聚酰胺(HPN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、ABS树脂、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)、亚克力、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)、PPN(聚丙烯的一种)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯(PVDC)、聚乙烯醇(PVA)或乙烯共聚物。更优选聚酰亚胺(PI)、耐热聚酰胺(HPN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或聚四氟乙烯(PTFE)。

边框叠层材料的第一粘附层及第二粘附层由具有粘合作用的物质构成。任何合适的具有粘合作用的物质可用在本发明的实践中。优选胶粘剂，包括环氧树脂胶、酚醛树脂、聚氨酯、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、丁基橡胶、聚异丁烯或氯丁橡胶胶粘剂，或天然橡胶型压敏胶粘剂，或以丁苯橡胶、聚异丁烯、聚异戊二烯、丁基橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶等合成橡胶单独或并用为主体的合成橡胶和再生胶压敏胶粘剂，或以SIS(苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物)和SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)为代表的热塑性弹体为主要原料的热塑性弹体压敏胶粘剂，或丙烯酸酯压敏胶粘剂，或亚克力胶，或有机硅压敏胶粘剂，或以聚氨酯、聚酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、PVC等为主体的压敏胶粘剂，或UV胶。更优选丙烯酸酯压敏胶粘剂、亚克力胶粘剂、有机硅压敏胶粘剂或者环氧-酚醛压敏胶粘剂。

两面涂覆有催化剂层的核心组件，催化层由贵金属催化剂和具有离子传导功能的离子传导聚合物构成。贵金属催化剂包括无担载型的催化剂和有担载的催化剂。贵金属包括Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Os、Au或Ag。有担载的催化剂的载体为高比表面积、导电性好、稳定性好的物质，包括：石墨、碳黑、碳纳米管、碳纤维、C-SBA-15、富勒烯、导电高分子、Al₂O₃、SiO₂、MgO、TiO₂、分子筛。离子传导聚合物为带有磺酸根基团或羧酸根基团支链的阴离子聚合物，而且聚合物中不含有在水溶液中可以电离的其它基团的聚合物，包括磺化或羧基化全氟树脂、三氟苯乙烯、聚甲基苯基硅氧烷、聚醚醚酮、聚苯并咪唑、聚苯并噁唑、聚苯并噻唑、聚乙烯、聚芳硫醚、聚苯乙烯-聚乙烯共聚物、聚苯乙烯-聚乙烯与丁烯-聚苯乙烯以及其它符合该条件的聚合物。催化层可以通过任何合适的方法涂覆到聚合物离子交换膜上形成核心组件。所述的方法包括手工刷涂、丝网印刷、切口棒涂覆、绕线棒涂覆、带液体涂覆、狭缝给料刮涂、三辊涂覆、喷涂或介质转印。

上述阳极和阴极气体扩散层均由气体扩散层基体和微孔层组成。所述的气体扩散层基体一般为碳纸、碳纤维毡或者碳布。微孔层一般为高比表面积、导电性好、稳定性好的物质和聚四氟乙烯乳液组成。气体扩散层微孔层中高比表面积、导电性好、稳定性好的物质包括石墨、碳黑。气体扩散层的长度和宽度分别不小于活性区域B(见附图2b)的长度和宽度。

本发明的特点是将边框材料设计成一种叠层，并经过冲断与半冲断处理，在制备过程中始终有支撑膜的存在以加强边框叠层的厚度及强度，使得边框材料具有较好的加工可行性和加工过程中的尺寸稳定性，工艺难度大大降低，操作更为简便，适于大规模连续化生产。如果没有本工艺中的冲断与半冲断过程，以及在覆合完成后才剥去支撑膜的这两个重要的处理，密封边框在进行完全冲裁后中间部分缺失，强度不足，形状难以控制，再与聚合物离子交换膜覆合时，操作难度很大，也不适宜于连续化批量生产。本发明中的叠层结构和冲断与半冲断、覆合后剥膜这些工艺特点，为加工过程中的精度控制以及连续化加工带了极大的便利，按本发明的工艺制备密封边框，精度高，加工速度快，对聚合物离子交换膜的损伤小，覆合过程方便快捷。密封边框在制备核心组件和膜电极的过程中，能很好的支撑并保护聚合物离子交换膜。所制备的膜电极核心组件，边框强度可靠，性能有保障；在组装过程中也不易受到损伤，长时间运行后膜电极不易发生串气、漏气等问题，耐久性好。

附图说明

图1是边框叠层结构示意图

图2a、是边框叠层经冲断处理后的横截面示意图

图2b是边框叠层经冲断处理后的垂直面示意图

图3a是冲断处理后的边框叠层剥去非活性区域的保护膜5a后的结构示意图

图3b是冲断处理后的边框叠层，剥去活性区域的保护膜5b、活性区域的边框膜3b及活性区域的第二粘附层4b后的结构示意图

图4是聚合物离子交换膜叠层结构示意图

图5a是剥去聚合物离子交换膜原材料的第一保护膜6后，与图3a所示的边框单面覆合后的结构示意图

图5b是剥去聚合物离子交换膜原材料的第一保护膜6后，与图3b所示的边框单面覆合后的结构示意图

图6a是图3a所示方式的两面边框与聚合物离子交换膜覆合后的结构示意图

图图6b是图3b所示方式的两面边框与聚合物离子交换膜覆合后的结构示意图

图7是带阴阳极密封边框的聚合物离子交换膜结构示意图

以下结合附图详细地描述这种边框叠层材料及其在制备带密封边框核心组件膜电极上的应用方法：

A.将如图1所示的边框叠层材料，按如图2a所示的方式从保护膜5的一面向支撑膜1那一面进行冲裁，冲裁的深度小于总厚度，不小于保护膜5+第二粘附层4+边框膜3+第一粘附层2的厚度之和，冲裁后的垂直面如图2b，A区域为非活性区域，B区域为活性区域(即冲裁区域)；

B.用以下两种可选的方式对步骤A得到的经过冲裁的边框叠层进行处理：

1)如图3a所示，剥去非活性区域的保护膜5a；

2)如图3b所示，剥去活性区域的保护膜5b、活性区域的边框膜3b及活性区域的第二粘附层4b；

C.聚合物离子交换膜原材料结构如图4所示，图中6为第一保护膜，7为聚合物离子交换膜，8为第二保护膜；

D.剥去聚合物离子交换膜原材料的第一保护膜6，与步骤B得到的结构进行覆合，覆合后的结构分别如图5a和图5b所示；

E.取另一批边框叠层重复步骤A、B的过程；

F.将经过步骤D得到的叠层剥去第二保护膜8后，与步骤E得到的材料相覆合，覆合后的结构分别如图6a和图6b所示；

G.(1)将如图6a的结构，分别剥去两侧的支撑膜1、两侧的第一粘附层(2a+2b)、两侧活性区域的边框膜3b、两侧活性区域的第一粘附层4b、两侧活性区域的保护膜5b后，得到如图7所示的带阴密封边框和阳极密封边框的聚合物离子交换膜；

(2)将如图6b的结构，分别剥去两侧的支撑膜1、两侧的第一粘附层(2a+2b)后，得到如图7所示的带两面密封边框的聚合物离子交换膜；

H.将图7所示的带两面密封边框的聚合物离子交换膜的阳极面和阴极面分别涂覆阳极催化剂和阴极催化剂，得到带密封边框的核心组件；

I.将带微孔层的阳极气体扩散层及带微孔层的阴极气体扩散层，与带密封边框的核心组件覆合，得到一种带密封边框核心组件的膜电极。

其中，步骤H所述的涂覆阳极催化层和阴极催化层的过程，也可以在步骤D中实现：将聚合物离子交换膜原材料剥去第一保护膜6和第二保护膜8，在阳极面和阴极面分别涂覆阳极催化剂和阴极催化剂，再与步骤B得到的结构覆合，然后继续步骤E、F、G、I过程(步骤F中减去剥去第二保护膜8这一过程)。

具体实施方式

下面结合实施例阐明本发明的内容。对于本领域的技术人员来说，不难看出本发明具有许多改进和替代形式，只要它们不背离本发明的范围和原理，应当理解，本发明不受下列示例性实施方式的限制。

各实施例中，边框叠层的边框膜材料为聚酰亚胺(PI)，第一粘附层及第二粘附层均为亚克力胶，支撑膜及保护膜材料均为聚丙烯(PP)。

实施例1

1)所使用的边框叠层材料两侧边缘平行，其支撑膜、第一粘附层、边框膜、第二粘附层及保护膜的厚度分别为100μm、10μm、20μm、10μm、20μm，第一粘附层和第二粘附层为粘合剂。对边框叠层进行冲裁，让刀模垂直于边框叠层，从保护膜的一面向支撑膜的一面冲裁活性区域，冲裁深度为80～140μm，冲裁区域为矩形，尺寸为50x50mm，活性区域的其中两个边缘与边框叠层材料的两侧边缘平行，距离均为25mm。冲裁完成后，保持边框叠层的活性区域各层不剥落；

2)将DuPont公司宽度为100mm的Nafion212膜叠层的第一保护膜剥去，保持第二保护膜与Nafon212膜粘附完好；

3)剥离步骤1)中经过冲裁后的叠层非活性区域的保护膜，与步骤2)中经过剥离第一保护膜的Nafion212膜叠层，利用非活性区域露出的第二粘附层的粘合剂进行覆合；

4)覆合完成后，剥离Nafion212膜叠层的第二保护膜；

5)剥离步骤1)中经过冲裁后的叠层非活性区域的保护膜，与步骤4)中Nafion212膜露出的那一面相覆合；

6)覆合完成后，剥去两侧的支撑膜、两侧活性区域的第一粘附层、两侧非活性区域的第一粘附层、两侧活性区域的边框膜、两侧活性区域的第二粘附层、两侧活性区域的保护膜，得到带密封边框的Nafion212膜。

7)通过喷涂的方法，在活性面积区域喷涂催化剂。阴极和阳极催化剂均选用质量含量为60％的Pt/C催化剂，阳极催化剂含量0.3mg/cm2，阴极催化剂含量0.5mg/cm2。催化层中离子传导聚合物选用当量为1100的Nafon树脂。催化层中催化剂与离子传导聚合物的质量比为3∶1。

8)膜电极制备

将尺寸为52x52mm的带微孔层的气体扩散层热压到步骤6)中制备的带密封边框的核心组件上制备膜电极。带微孔层的气体扩散层为SGL公司的GDL34BC，热压温度为130℃，热压压力为1.5Mpa，热压时间为3分钟。

9)单电池性能测试

将步骤8)中制备的膜电极组装到聚合物离子交换膜燃料电池测试平台中进行测试。采用在一侧开有平行槽道的石墨板为集流板，端板为镀金不锈钢板。操作条件为：PCO2＝PH2＝0MPa，电池温度为60℃，阳极100％加湿，加湿温度为70℃。在电流密度为600mA/cm2下，单电池输出电压为0.72V，其功率密度为为0.43W/cm2。

实施例2

1)所使用的边框叠层材料的两侧边缘平行，其支撑膜、第一粘附层、边框膜、第二粘附层及保护膜的厚度分别为150μm、10μm、20μm、10μm、20μm，第一粘附层和第二粘附层为粘合剂，其中第一粘附层的粘合剂呈某种特殊状态，与聚合物离子交换膜相接触后不会发生粘合，剥离时也不会有粘合剂的部分或全部附着于聚合物离子交换膜。对边框叠层进行冲裁，让刀模的刀口垂直于叠层平面，从保护膜的一面向支撑膜的一面冲裁活性区域，冲裁深度为80～180μm，冲裁区域为矩形，尺寸为50x50mm，活性区域的其中两个边缘与边框叠层材料两侧边缘平行，距离均为25mm；

2)将DuPont公司宽度为100mm的Nafion212膜叠层的第一保护膜剥去，保持第二保护膜与Nafion212膜粘附完好；

3)剥去步骤1)中经过冲裁后的边框材料活性区域的保护膜、活性区域的第二粘附层、活性区域的边框膜，再剥去非活性区域的保护膜，与步骤2)中经过剥离第一保护膜的Nafion212膜，利用非活性区域露出的第二粘附层的粘合剂进行覆合；

4)覆合完成后，剥离Nafion212膜叠层的第二保护膜；

5)剥离步骤1)中经过冲裁后的边框叠层活性区域的保护膜、活性区域的第二粘附层、活性区域的边框膜，再剥去非活性区域的保护膜，与步骤4)中Nafion212膜露出的那一面相覆合；

6)覆合完成后，剥离两侧的支撑膜及两侧的第一粘附层，得到带密封边框的Nafion212膜。

7)通过喷涂的方法，在活性面积区域喷涂催化剂。阴极和阳极催化剂均选用质量含量为60％的Pt/C催化剂，阳极催化剂含量0.3mg/cm2，阴极催化剂含量0.5mg/cm2。催化层中离子传导聚合物选用当量为1100的Nafion树脂。催化层中催化剂与离子传导聚合物的质量比为3∶1。

8)膜电极制备

将尺寸为52x 52mm的带微孔层的气体扩散层热压到步骤6)中制备的带密封边框的核心组件上制备膜电极。带微孔层的气体扩散层为SGL公司的GDL34BC，热压温度为130℃，热压压力为1.5Mpa，热压时间为3分钟。

9)单电池性能测试

将步骤8)中制备的膜电极组装到聚合物离子交换膜燃料电池测试平台中进行测试。采用在一侧开有平行槽道的石墨板为集流板，端板为镀金不锈钢板。操作条件为：PCO2＝PH2＝0MPa，电池温度为60℃，阳极100％加湿，加湿温度为70℃。在电流密度为600mA/cm2下，单电池输出电压为0.73V，其功率密度为0.44W/cm2。

Claims

1.一种边框叠层材料，其特征是，该边框叠层材料为支撑膜(1)、第一粘附层(2)、边框膜(3)、第二粘附层(4)和保护膜(5)依次相叠的结构；

其中，所述的支撑膜为树脂、橡胶、塑料、纸或金属材料构成，或上述任意两种以上材料构成的复合材料，支撑膜的厚度为0.010～1.000mm；

所述的第一粘附层由具有粘结作用的物质构成，第一粘附层的厚度为0.001～0.100mm；

所述的边框膜由树脂、橡胶、塑料或纸构成，或上述任意两种以上材料构成的复合材料，边框膜的厚度为0.005～0.4mm；

所述的第二粘附层由具有粘结作用的物质构成，第二粘附层的厚度为0.001～0.1mm；

所述的保护膜由树脂、橡胶、塑料、纸或金属材料构成，或上述任意两种以上材料构成的复合材料构成，保护膜厚度为0.005～0.5mm；

所述的第一粘附层和第二粘附层所用的具有粘结作用的物质选用环氧树脂胶、酚醛树脂、聚氨酯、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、丁基橡胶、聚异丁烯或氯丁橡胶胶粘剂，或天然橡胶型压敏胶粘剂，或以丁苯橡胶、聚异丁烯、聚异戊二烯、丁基橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶或丁腈橡胶单独或并用为主体的合成橡胶或再生胶压敏胶粘剂，或以苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物为主要原料的热塑性弹体压敏胶粘剂，或丙烯酸酯压敏胶粘剂，或亚克力胶，或有机硅压敏胶粘剂，或以聚氨酯、聚酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物或PVC为主体的压敏胶粘剂，或光固化型UV胶。

2.如权利要求1所述的边框叠层材料，其特征是，所述的第一粘附层和第二粘附层所用的具有粘结作用的物质选用丙烯酸酯压敏胶粘剂、亚克力胶粘剂、有机硅压敏胶粘剂或环氧-酚醛压敏胶粘剂。

3.如权利要求1所述的边框叠层材料，其特征是，所述的边框膜材料选用聚合物，包括：聚酰胺、耐热聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、ABS树脂、聚丙烯、聚四氟乙烯、亚克力、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚丙烯PPN、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇或乙烯共聚物。

4.如权利要求1所述的边框叠层材料，其特征是，所述的边框膜材料选用聚酰亚胺、耐热聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚四氟乙烯。

5.如权利要求1所述的边框叠层材料，其特征是，所述的支撑膜的厚度为0.040～0.200mm。

6.如权利要求1所述的边框叠层材料，其特征是，所述的支撑膜的厚度为0.060～0.100mm。

7.如权利要求1所述的边框叠层材料，其特征是，所述的第一粘附层的厚度为0.002～0.050mm。

8.如权利要求1所述的边框叠层材料，其特征是，所述的第一粘附层的厚度为0.005～0.020mm。

9.如权利要求1所述的边框叠层材料，其特征是，所述的边框膜的厚度为0.010～0.200mm。，

10.如权利要求1所述的边框叠层材料，其特征是，所述的边框膜的厚度为0.015～0.100mm。

11.如权利要求1所述的边框叠层材料，其特征是，所述的第二粘附层的厚度为0.002～0.050mm。

12.如权利要求1所述的边框叠层材料，其特征是，所述的第二粘附层的厚度为0.005～0.020mm。

13.权利要求1所述的边框叠层材料的应用，其特征是，用于制备带密封边框的膜电极中。

14.用权利要求1所述的边框叠层材料制备带密封边框的膜电极的方法，其特征是，制备过程为：

1)、将边框叠层材料冲裁分为非活性区域和活性区域：从保护膜的一面向支撑膜一面进行冲裁，冲裁的深度小于总厚度，不小于保护膜+第二粘附层+边框膜+第一粘附层的厚度之和，活性区域的保护膜、第二粘附层、边框膜及第一粘附层的完全冲断，将支撑膜半冲断而能继续起到支撑及保护作用；

2)、先剥去边框叠层的活性区域及非活性区域的保护膜、活性区域的第二粘附剂层、活性区域的边框膜，然后让边框叠层利用非活性区域的第二粘附层与聚合物离子交换膜覆合，覆合完成后，剥去支撑膜及第一粘附层，得到带阳极密封边框和阴极密封边框的聚合物离子交换膜；

3)、将阳极催化剂层和阴极催化剂层分别涂覆到阳极密封边框和阴极密封边框一侧的聚合物离子交换膜的活性区域，制备成带密封边框的核心组件，再分别与阳极气体扩散层和阴极气体扩散层覆合，即制得带密封边框核心组件的膜电极。

15.如权利要求 14所述的边框叠层材料用于制备带密封边框的膜电极的方法，其特征是，在所述的制备过程2)中，或者先剥去边框叠层的非活性区域的保护膜，而保留活性区域的保护膜、第二粘附层及边框膜，然后让边框叠层利用非活性区域的第二粘附层与聚合物离子交换膜覆合，覆合完成后，剥去支撑膜、第一粘附层、活性区域的边框膜、活性区域的第二粘附层以及活性区域的保护膜，得到带阳极密封边框和阴极密封边框的聚合物离子交换膜。

16.如权利要求 14所述的边框叠层材料用于制备带密封边框的膜电极的方法，其特征是，所述的膜电极在制备时，先在聚合物离子交换膜的阳极面和阴极面分别涂敷阳极催化剂层和阴极催化剂层，然后分别覆合阳极密封边框和阴极密封边框；或者先在聚合物离子交换膜的阳极面和阴极面分别覆合阳极密封边框和阴极密封边框，然后再分别涂敷阳极催化剂层和阴极催化剂层；最后分别覆合阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，制得带密封边框核心组件的膜电极。