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CN106941182A - 一种质子交换膜燃料电池膜电极密封边框 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池膜电极密封边框 Download PDF

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Nanjing University
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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池膜电极密封边框，膜电极包括质子交换膜，密封边框包括垫平层、保护层、气体扩散层和密封层，所述质子交换膜的外延对接所述垫平层，所述质子交换膜沿所述气体扩散层外延，所述质子交换膜的外延的两侧均设置有所述保护层，所述保护层的外侧设置有气体扩散层。本发明的质子交换膜燃料电池膜电极密封边框密封效果优良；节省质子交换膜和气体扩散层用量，降低成本；结构设计合理，利于流程化加工，方便产业化；边框对质子交换膜有良好的保护作用，能够有效防止机械破坏。

Description

一种质子交换膜燃料电池膜电极密封边框
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极密封边框。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种电化学电池，氢气由阳极进入并被氧化，氧气再阴极消耗。氢气氧化过程中释放质子，质子通过质子交换膜传导至阴极。质子交换膜不传导电子，故氢气氧化产生的电子通过外电路传递至阴极，产生电流。
质子交换膜燃料电池除具有燃料电池的一般特点如能量转化效率高、环境友好等之外，还具有可在室温快速启动、体积小、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点。因此，质子交换膜燃料电池具有极其广阔的应用前景，它不仅可用于建设分散电站，也适宜于用作可移动动力电源，是军民通用的一种新型可移动动力电源。在未来的以氢作为主要能量载体的氢能时代，它是最佳的家庭动力电源。
最原始的膜电极制备采用质子交换膜面积远大于膜电极中的气体扩散层(以碳纸为例)的方法，超出碳纸的部分的膜不是电化学反应活性区域，只有制备有催化剂的部分才是电化学活性区。这种方法是将超出碳纸部分的质子交换膜直接作为密封部件来防止阴阳极气体互漏同时防止两块双极板接触而短路。此方法的缺陷在于：质子交换膜是一种价格相当昂贵的材料，大量延伸出来后没有得到充分的利用，造成严重浪费。同时质子交换膜是一种易老化易破损的材料，长期在压力下与密封材料直接接触，更容易造成质子交换膜的破损，导致膜电极失效。
请参阅图3所示，欧洲专利EP0604683AI采用的方法是将气体扩散层如碳纸，大大延伸出膜电极活性区，然后将密封材料嵌入碳纸中并压在质子交换膜上，厚度大于膜电极的厚度，这样夹在双极板之间就能实现密封。此方法的缺陷在于：在气体扩散层上设置密封层的难度较大，同时由于密封层嵌入气体扩散层内部并压紧在质子交换膜上，造成质子交换膜的失效，气体扩散层在压紧过程同样也会对质子膜造成剪切破坏。
请参阅图4所示，上海神力公司专利02283449.4采用的方法是将质子交换膜部分外延并填充渗透树脂胶膜材料或热固性橡胶组成，其中中间层与外延的质子交换膜端部对接，该中间层两面附着密封层，该密封层与气体扩散层端部对接并产生渗透，三层密封材料融为一体，该密封区的厚度与活性区厚度相同。此方法的缺陷在于：密封层和气体扩散层的端部对接渗透，会影响活性区边缘的气体扩散，降低催化剂的使用效率，同时操作难度较大，因为密封层必须是液态或者胶质。密封层材料与气体扩散层性质差别较大，两者渗透交接后由于膨胀系数不同可能会导致连接处损坏。
因此，需要一种新的质子交换膜燃料电池膜电极密封边框以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供一种质子交换膜燃料电池膜电极密封边框。
为实现上述发明目的，本发明的质子交换膜燃料电池膜电极密封边框采用如下技术方案：
一种质子交换膜燃料电池膜电极密封边框，膜电极包括质子交换膜，密封边框包括垫平层、保护层、气体扩散层和密封层，所述质子交换膜的外延对接所述垫平层，所述质子交换膜沿所述气体扩散层外延，所述质子交换膜的外延的两侧均设置有所述保护层，所述保护层的外侧设置有气体扩散层。
更进一步的，还包括密封层，所述保护层的外侧设置有所述密封层，所述气体扩散层的一端对接所述密封层。能够同时实现外密封和内密封作用。
更进一步的，所述垫平层的厚度与所述质子交换膜的厚度相同。方便密封结构找平。
更进一步的，所述垫平层为聚对苯二甲酸乙二醇酯垫平层、聚丙烯垫平层、聚乙烯垫平层、聚氯乙烯垫平层、聚碳酸酯垫平层、聚酰亚胺垫平层、聚四氟乙烯垫平层、聚酰胺垫平层或聚乙烯醇垫平层。
更进一步的，所述质子交换膜的外延和所述保护层之间设置有第一粘合剂层，所述保护层与所述气体扩散层之间设置有第二粘合剂层。用将保护层和质子交换膜以及气体扩散层结合到一起。
更进一步的，所述第一粘合剂层和/或第二粘合剂层为丁苯橡胶、SEBS、有机硅胶、硅胶、SBS、丙烯酸酯共聚物、聚氨酯类胶、酚醛树脂、环氧树脂等中的一种或者多种的混合物。
更进一步的，所述密封层为橡胶类橡胶密封层、硅胶类橡胶密封层、聚氨酯类橡胶密封层或氟胶类橡胶密封层。
更进一步的，所述保护层为聚对苯二甲酸乙二醇酯保护层、聚丙烯保护层、聚乙烯保护层、聚氯乙烯保护层、聚碳酸酯保护层、聚酰亚胺保护层、聚四氟乙烯保护层、聚酰胺保护层或聚乙烯醇保护层。
更进一步的，所述保护层的厚度为0.01-0.1mm。
更进一步的，所述保护层延伸至所述垫平层的两侧。方便垫平层的两侧找平。
有益效果：本发明的质子交换膜燃料电池膜电极密封边框密封效果优良；节省质子交换膜和气体扩散层用量，降低成本；结构设计合理，利于流程化加工，方便产业化；边框对质子交换膜有良好的保护作用，能够有效防止机械破坏。
附图说明
图1为质子交换膜燃料电池的原理图；
图2为原始膜电极边框的示意图；
图3为欧洲专利示意图；
图4为上海神力公司专利示意图；
图5为本发明的质子交换膜燃料电池膜电极密封边框的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅是本发明的优选实施方式，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种不脱离本发明原理的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
请参阅图5所示，本发明的质子交换膜燃料电池膜电极密封边框，质子交换膜(即图中催化层)沿气体扩散层向外少量外延，在延伸部分的中间填充高强度耐温薄膜，即垫平层，中间的高强度耐温薄膜厚度与质子交换膜厚度相当，并与质子交换膜延伸部分端部对接。该垫平层可以采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚酰胺、聚乙烯醇之中的任意一种。该高强度耐温薄膜两边涂覆或者外加粘合剂层。粘合剂层的材料为丁苯橡胶、SEBS、有机硅胶、硅胶、SBS、丙烯酸酯共聚物、聚氨酯类胶、酚醛树脂、环氧树脂等中的一种或者多种的混合物。粘合剂层厚度为0.01-0.05mm。
在气体扩散层和质子交换膜之间伸入一层高分子薄膜以达到保护质子交换膜不被气体扩散层破坏的目的。该保护层的厚度在0.01-0.1mm。
在两边保护层的外侧涂布或者外加粘合剂层，选材和上文相同，厚度为0.01-0.05mm，在粘合剂层上面覆盖密封层。该密封层的材料可以是橡胶类、硅胶类、聚氨酯类、氟胶类橡胶中的任意一种。密封层与气体扩散层端部对接，厚度则根据气体扩散层的厚度来确定。
上述为组装过程，组装完毕，将其放入准备好的模具，放置到平板热压机上。设定热压温度100-140℃，压强0.5-3MPa，热压时间100-200s，冷却温度20-50℃，进行热压处理。通过热压可以将上述所有材料形成一个整体，从而完成对膜电极的密封和保护。冷却后开模取出膜电极。
热压冷却完成后的膜电极存放在干燥无污染的环境中。
实施例1:
一种无外密封作用的边框制备方法
图5为本发明结构示意图：制备方法采取由内而外制备，首先制备有催化层的质子交换膜放置在一片聚酰亚胺薄膜垫平层之间，并与其端部对接，聚酰亚胺厚度为40微米，然后在质子交换膜和垫平层左右两侧设置一层双面胶粘合剂层，在粘合剂层的外侧分别设置一层相同厚度的聚酰亚胺薄膜保护层，保护层厚度为25微米。然后将气体扩散层设置在保护层的外侧，放入夹具夹紧然后放置到平板热压机上。设定热压时间120s，压力1.5MPa，温度100℃，冷却温度30℃，选择自动运行，待热压冷却完成后取下模具开模取出制备好的膜电极。因为不需要外密封作用，所以最外侧的粘合剂和密封层不需要设置。制备完成的膜电极装配到单电池中，需要外加密封圈。采用GB/T 20042.5《质子交换膜燃料电池第五部分：膜电极测试方法》中的测试外漏和内漏的方法。经过测试，发现膜电极装配到单电池中，外漏和内漏均不会出现。
实施例2:
一种同时具有外密封和内密封作用的边框制备方法
图5为本发明结构示意图：制备方法采取由内而外制备，首先制备有催化层的质子交换膜放置在一片聚丙烯薄膜垫平层之间，并与其端部对接，聚丙烯厚度为30微米，然后在质子交换膜和垫平层左右两侧设置一层双面胶粘合剂层，在粘合剂层的外侧分别设置一层相同厚度的聚丙烯薄膜保护层，保护层厚度为50微米。在两侧保护层外侧各设置一层双面胶粘合剂层，将密封层丁苯橡胶设置在粘合剂层外侧，丁苯橡胶厚度为40微米。然后将气体扩散层设置在保护层的外侧，同时与密封层端部对接。组装完成后放入夹具夹紧然后放置到平板热压机上。设定热压时间150s，压力0.5MPa，温度140℃，冷却温度30℃，选择自动运行，待热压冷却完成后取下模具开模取出制备好的膜电极。制备完成的膜电极装配到单电池中，不需要外加密封圈。采用GB/T 20042.5《质子交换膜燃料电池第五部分：膜电极测试方法》中的测试外漏和内漏的方法。经过测试，发现膜电极装配到单电池中，外漏和内漏均不会出现。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池膜电极密封边框，其特征在于，膜电极包括质子交换膜，密封边框包括垫平层、保护层、气体扩散层和密封层，所述质子交换膜的外延对接所述垫平层，所述质子交换膜沿所述气体扩散层外延，所述质子交换膜的外延的两侧均设置有所述保护层，所述保护层的外侧设置有气体扩散层。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极密封边框的制备方法，其特征在于，还包括密封层，所述保护层的外侧设置有所述密封层，所述气体扩散层的一端对接所述密封层。
3.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极密封边框的制备方法，其特征在于，所述垫平层的厚度与所述质子交换膜的厚度相同。
4.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极密封边框，其特征在于，所述垫平层为聚对苯二甲酸乙二醇酯垫平层、聚丙烯垫平层、聚乙烯垫平层、聚氯乙烯垫平层、聚碳酸酯垫平层、聚酰亚胺垫平层、聚四氟乙烯垫平层、聚酰胺垫平层或聚乙烯醇垫平层。
5.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极密封边框，其特征在于，所述质子交换膜的外延和所述保护层之间设置有第一粘合剂层，所述保护层与所述气体扩散层之间设置有第二粘合剂层。
6.如权利要求5所述的质子交换膜燃料电池膜电极密封边框，其特征在于，所述第一粘合剂层和/或第二粘合剂层为丁苯橡胶、SEBS、有机硅胶、硅胶、SBS、丙烯酸酯共聚物、聚氨酯类胶、酚醛树脂、环氧树脂等中的一种或者多种的混合物。
7.如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池膜电极密封边框，其特征在于，所述密封层为橡胶类橡胶密封层、硅胶类橡胶密封层、聚氨酯类橡胶密封层或氟胶类橡胶密封层。
8.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极密封边框，其特征在于，所述保护层为聚对苯二甲酸乙二醇酯保护层、聚丙烯保护层、聚乙烯保护层、聚氯乙烯保护层、聚碳酸酯保护层、聚酰亚胺保护层、聚四氟乙烯保护层、聚酰胺保护层或聚乙烯醇保护层。
9.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极密封边框，其特征在于，所述保护层的厚度为0.01-0.1mm。
10.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池膜电极密封边框，其特征在于，所述保护层延伸至所述垫平层的两侧。
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