CN111129539B - 一种燃料电池膜电极密封装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池膜电极密封装置及其制备方法，所述燃料电池膜电极密封装置包括燃料电池膜电极及其外周的密封边框，所述燃料电池膜电极包括质子交换膜、第一催化层、第二催化层、第一扩散层和第二扩散层，密封边框与燃料电池膜电极之间通过胶粘剂层形成密封结构；所述胶粘剂实现了扩散层、三层膜电极和密封边框的一次性粘接，并对扩散层边缘和密封边框内缘进行全包围密封，有效隔绝了外界温度和湿度对膜电极本体的影响，使膜电极的使用寿命和稳定性显著提升。所述燃料电池膜电极密封装置制备方法简单，通过密封边框和五层膜电极在注胶的夹具中一次热压即可得到，工艺步骤更加简化，降低了资源和时间成本，具有更高的实用价值。

Description

一种燃料电池膜电极密封装置及其制备方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池膜电极密封装置及其制备方法。

背景技术

随着环保和节能减排要求的不断提高，机动车驱动力由传统能源向新能源转变是未来的发展方向，国家制造2025中十大发展方向之一就包括新能源发展战略。新能源包括清洁替代燃料、二次储能电池和燃料电池汽车。二次储能电池由于其理论能量密度的限制、安全问题、充电效率和寿命难以大幅度提高的问题以及回收利用的难度都会影响其在车用动力系统方面的大规模应用。燃料电池作为燃料补充型发电系统，不受体积和质量能量密度的限制，能量利用率能够达到50％以上，能源清洁度整体高于二次储能电池；而且氢气来源广泛，加氢速度类似于汽油加注，一次加注续驶里程400～700公里，运行寿命长，整体性能非常适宜作为车载动力源使用，是替代传统能源车最有前景的新能源动力产品。

燃料电池的核心是三相反应场膜电极，膜电极的性能和耐久性直接决定着燃料电池电堆和系统的性能和耐久，是电池反应的心脏。膜电极的制备工艺主要分为两种，一种是将催化剂涂覆于气体扩散层上，然后将阴、阳两片气体扩散电极热压在质子交换膜的两侧，该工艺内阻较大、催化剂利用率较低；另一种是将催化剂涂覆于质子交换膜上制成CCM(Catalyst Coated Membrane)，然后将碳纸热压与CCM两侧，该工艺得到的膜电极内阻小、且催化剂的利用率高，因此应用更为广泛。膜电极的CCM部分对温湿度十分敏感，因此一般采用表面覆盖气体扩散层的形式进行保护，边缘采用导电胶封装；为避免质子交换膜暴露于外界环境，采用硬质塑料边框粘合封装且同时在硬质边框边缘构建水、气接口通道，形成包含边框的膜电极密封装置。

目前，膜电极密封装置及其制备方法是燃料电池领域的研究热点，例如CN109390610A公开了一种燃料电池膜电极生产封装工艺，包括以下步骤：将裁切下的边框按序每层逐渐装至对位装置上，使用可调压板将需要热封的一侧密封边框进行压平压实；然后使用热封系统对膜电极密封边框进行预处理；将预处理后的膜电极密封边框吹扫干净后，在两层边框间放入质子交换膜，合上两层密封边框，密封边框完成对位调整，以保证膜电极在密封边框中的相对位置；再将调整好相对位置的膜电极和密封边框整体三层压入上下保护层，进入热压系统热压定型。CN106992305A公开了一种燃料电池膜电极边框制备方法，所述制备方法包括以下步骤：首先取切割完成的离子交换膜置于底板的定位加工区域上铺平；然后取切割好的压敏胶膜边框以及胶层面朝外安置在滚辊表面并铺平，滚辊沿底板滚动，使得离子交换膜与压敏胶膜边框粘合并制成半成品；最后将半成品的胶层面朝上放置在底板的定位加工区域，取另一层切割好的压敏胶膜边框以胶层面朝外安置在复位的滚辊表面并铺平，滚辊重复沿底板滚动，使得半成品与另一层压敏胶膜边框粘合，即得到膜电极边框。

然而现有的膜电极密封装置的制备方法包括以下四个工艺步骤：制备CCM、粘结硬质边框、点胶、粘结压合气体扩散层，其中包含2个粘结工序，不仅工艺繁琐，而且气体扩散层边缘和膜电极本体处还有可能因粘接不严造成外界空气与质子膜相接触，引起质子交换膜在储存过程中的不可恢复的翘曲变形，严重影响电堆的封装气密性，造成资源的浪费。为了解决上述问题，部分膜电极制备工艺放弃了粘接封装结构而采用全包围封装和气道、极板密封条一体注胶成型，该结构隔绝了膜电极和外界环境，但胶体弹性大，定位功能丧失，因此在后期电堆组装时容易形成牙错。

因此，开发一种密封效果更好、膜电极稳定性更高、易于定位且制备工艺更为简单的膜电极密封装置，是本领域的研究重点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池膜电极密封装置及其制备方法，所述燃料电池膜电极密封装置通过层级结构的尺寸设计和胶粘结构的特殊设计，实现了扩散层、CCM和密封边框的全包围密封，使燃料电池膜电极密封装置的阻湿性和封装气密性显著提升，具有良好的存储和使用稳定性。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种燃料电池膜电极密封装置，所述燃料电池膜电极密封装置包括燃料电池膜电极(1a)及其外周的密封边框(1b)。

所述燃料电池膜电极(1a)包括质子交换膜(1-1)，以及粘结于所述质子交换膜上下表面的第一催化层(1-2)和第二催化层(1-3)，所述第一催化层的表面设置第一扩散层(1-4)，所述第二催化层的表面设置第二扩散层(1-5)；所述质子交换膜(1-1)、第一催化层(1-2)、第二催化层(1-3)、第一扩散层(1-4)和第二扩散层(1-5)的中心点重合。

所述第一催化层(1-2)和第二催化层(1-3)的平面尺寸相等，且小于质子交换膜(1-1)的平面尺寸。

所述第一扩散层(1-4)和第二扩散层(1-5)的平面尺寸相等，且大于第一催化层(1-2)小于质子交换膜(1-1)。

所述密封边框(1b)的内缘尺寸与质子交换膜(1-1)的平面尺寸相等。

所述密封边框(1b)与燃料电池膜电极(1a)之间通过胶粘剂层(1c)形成密封结构。

本发明所述“平面尺寸”包括长度和宽度两个参数，“平面尺寸相等”即2个层的长度和宽度都相等，“平面尺寸小”即长度和宽度都相对较小，“平面尺寸大”即长度和宽度都相对较大。

传统燃料电池膜电极密封装置的制备方法包括四个工艺步骤：制备CCM、粘结硬质边框、点胶、粘结压合扩散层。具体为：首先将质子交换膜按设计尺寸裁切成长度为L mm、宽度为D mm的尺寸，将准备好的催化剂浆料喷涂到质子交换膜上形成双面催化层，催化层的长度为(L-2～L-3)mm、宽度为(D-2～D-3)mm，双面催化层与质子交换膜共同形成三层膜电极CCM；然后将双层可热压粘结的高聚物材料裁切成硬质边框，硬质边框的内缘长度为(L-1)mm、宽度为(D-1)mm，硬质边框三个连续的顶角均设有定位孔，硬质边框与CCM夹边热压粘接形成五层膜电极；进而在五层膜电极上沿双面催化层的边缘进行点胶，胶粘剂的宽度为1mm；最后将经过疏水处理、覆盖微孔层的2个扩散层裁切成长度为(L-1～L-2)mm、宽度为(D-1～D-2)mm的尺寸，分别贴合到CCM电极两侧，完全覆盖2个催化层，四边与粘结剂贴合并热压粘结形成七层膜电极，即燃料电池膜电极密封装置。该传统的燃料电池膜电极密封装置具有高硬度的硬质边框，可采用定位孔准确定位，但硬质边框和扩散层之间没有完全密封，因此对质子交换膜的封装效果不好，外界温湿度的变化很容易影响到核心CCM部分，造成胀缩损坏。

本发明提供的燃料电池膜电极密封装置的结构示意图如图1所示，燃料电池膜电极的第一催化层和第二催化层的尺寸相等且小于质子交换膜，第一扩散层和第二扩散层的尺寸相等且介于质子交换膜和第一催化层之间，即扩散层的尺寸完全覆盖催化层；密封边框的内缘尺寸与质子交换膜的尺寸相等，密封边框与燃料电池膜电极通过一体的胶粘剂形成密封结构。与现有技术中两次粘结形成的装置不同，本发明所述燃料电池膜电极密封装置中的胶粘剂实现了扩散层、三层膜电极和密封边框的一次性同时粘接，并对扩散层边缘和密封边框的内缘进行全包围密封，有效隔绝了外界温度和湿度对膜电极本体的影响，使膜电极的使用寿命和稳定性显著提升。

优选地，所述质子交换膜(1-1)与第一催化层(1-2)的长度差为2～3mm，例如2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm或2.9mm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

优选地，所述质子交换膜(1-1)与第一催化层(1-2)的宽度差为2～3mm，例如2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm或2.9mm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

优选地，所述密封边框(1b)为硬质单层高分子边框。

优选地，所述密封边框(1b)的3个顶角处分别设有定位孔(1b-1)。

优选地，所述定位孔(1b-1)的直径为4～6mm，例如4.2mm、4.4mm、4.6mm、4.8mm、5mm、5.2mm、5.4mm、5.6mm、5.8mm或5.9mm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

本发明所述的密封边框为硬质单层高分子边框，且密封边框的3个顶角处设有定位孔，在保留了传统硬质边框良好定位功能的同时，简化了所述燃料电池膜电极密封装置的结构，节约了热压粘结边框的工艺，而且对边框材质和结构的要求更加简化、成本更低，具有极大的实用价值。

优选地，所述密封边框(1b)的厚度为0.05～0.075mm，例如0.051mm、0.053mm、0.055mm、0.057mm、0.059mm、0.060mm、0.062mm、0.064mm、0.065mm、0.068mm、0.070mm、0.072mm或0.074mm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

优选地，所述胶粘剂层(1c)的胶粘剂为有机硅胶粘剂。

优选地，所述胶粘剂层(1c)的水平宽度为4～6mm，例如4.2mm、4.4mm、4.6mm、4.8mm、5mm、5.2mm、5.4mm、5.6mm、5.8mm或5.9mm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

本发明所述的胶粘剂能够实现扩散层、三层膜电极和密封边框的一次性同时粘接，胶粘剂的水平宽度大于密封边框与扩散层之间的缝隙，从而将扩散层边缘和密封边框的内缘进行全包围密封，隔绝了外界温度和湿度对膜电极本体的影响。

优选地，所述第一催化层(1-2)和第二催化层(1-3)为铂碳催化层。

优选地，所述第一扩散层(1-4)和第二扩散层(1-5)为表面有微孔结构的碳纸层。

优选地，所述燃料电池膜电极(1a)的厚度可以为0.378～0.398mm，例如0.379mm、0.380mm、0.382mm、0.385mm、0.388mm、0.390mm、0.391mm、0.393mm、0.395mm或0.397mm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

另一方面，本发明提供一种如上所述的燃料电池膜电极密封装置的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)在质子交换膜的上下表面分别涂覆催化剂浆料、干燥，得到三层膜电极；

(2)在步骤(1)得到的三层膜电极的上下表面分别覆盖扩散层材料，得到五层膜电极；

(3)将步骤(2)得到的五层膜电极和密封边框置于注胶的夹具中进行粘结密封，得到所述燃料电池膜电极密封装置。

本发明所述燃料电池膜电极密封装置的制备方法简单，将密封边框和五层膜电极置于注胶的夹具中一次热压即可得到；相比于现有技术中点胶和两次热压粘结的工艺相比，本发明中一次性热压粘结实现密封的工艺步骤更加简化，降低了资源和时间成本，具有更高的实用价值。

优选地，步骤(1)所述催化剂浆料包括铂碳催化剂、全氟磺酸树脂溶液和分散剂。

优选地，所述分散剂选自异丙醇、乙醇、乙二醇或丙酮中的任意一种或至少两种的组合。

本发明所述催化剂浆料的组分和制备方法均为现有技术，例如参考CN109817991A公开的一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法中催化剂的组分及制备步骤。

优选地，步骤(1)所述涂覆的方法为超声喷涂。

优选地，步骤(1)所述干燥的温度为60～80℃，例如62℃、65℃、68℃、70℃、72℃、75℃、77℃或79℃等。

优选地，步骤(2)所述扩散层材料为表面有微孔结构的碳纸。

优选地，步骤(3)所述夹具的结构示意图如图2、图3和图4所示，包括相互压合的第一半模具(2a)和第二半模具(2b)，所述第一半模具(2a)和第二半模具(2b)包括中心点重合的边框承托区(2-1)、膜电极承托区(2-2)和注胶凹槽区(2-3)。

所述边框承托区(2-1)的外缘尺寸大于密封边框(1b)的外缘尺寸，内缘尺寸小于密封边框(1b)的外缘尺寸且大于密封边框(1b)的内缘尺寸。

所述膜电极承托区(2-2)的平面尺寸小于燃料电池膜电极密封装置中第一催化层(1-1)的平面尺寸。

所述边框承托区(2-1)的高度大于膜电极承托区(2-2)的高度。

所述膜电极承托区(2-2)顶点至注胶凹槽区(2-3)与膜电极承托区(2-2)抵接点的垂直距离为0.2～0.3mm，例如0.21mm、0.22mm、0.23mm、0.24mm、0.25mm、0.26mm、0.27mm、0.28mm或0.29mm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

所述第一半模具(2a)的3个顶角处设置有定位销(2a-1)，所述第二半模具(2b)在与第一半模具相应的位置设置有定位孔(2b-1)。

所述第一半模具(2a)上定位销(2a-1)的位置与密封边框上定位孔(1b-1)的位置一一对应。

本发明所述夹具的第一半模具上设置定位销，第二半模具设置定位孔，除此之外二者的结构和尺寸完全相同。

优选地，所述边框承托区(2-1)与膜电极承托区(2-2)的高度差为五层膜电极厚度的1/2；第一半模具(2a)和第二半模具(2b)压合时形成的腔体可以与燃料电池膜电极的厚度相匹配。

优选地，所述注胶凹槽区(2-3)的水平宽度为4～6mm，例如4.2mm、4.4mm、4.6mm、4.8mm、5mm、5.2mm、5.4mm、5.6mm、5.8mm或5.9mm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

优选地，所述夹具的材质为金属板材。

优选地，步骤(3)所述粘结密封的方法包括以下步骤：

(i)分别在第一半模具(2a)和第二半模具(2b)的注胶凹槽区(2-3)内涂覆脱模剂，然后注入胶粘剂，得到注胶的第一半模具(2a)和注胶的第二半模具(2b)；

(ii)将步骤(2)得到的五层膜电极置于步骤(i)得到的注胶的第一半模具(2a)上，使五层膜电极的中心点与膜电极承托区(2-2)的中心点重合；将密封边框置于注胶的第一半模具(2a)的边框承托区(2-1)上，将密封边框上的定位孔(1b-1)与定位销(2a-1)连接；然后覆盖步骤(i)得到的注胶的第二半模具(2b)，并将定位孔(2b-1)与定位销(2a-1)连接，得到合模夹具；

(iii)将步骤(ii)得到的合模夹具进行热压，开模，得到所述燃料电池膜电极密封装置。

优选地，步骤(i)在注胶完成后，可用刮板沿注胶道刮涂一圈，该工序不仅可以将溢出胶道的粘结胶刮除，而且能够使胶道中不饱满的边缘填充密实。

优选地，步骤(ii)中，五层膜电极的中心点与膜电极承托区(2-2)的中心点重合，且五层膜电极的长边和短边分别平行于膜电极承托区(2-2)的长边和短边；密封边框与边框承托区(2-1)的中心点重合，且密封边框的长边和短边分别与边框承托区(2-1)的长边和短边平行。

优选地，步骤(iii)所述热压的温度为70～80℃，例如71℃、72℃、73℃、74℃、75℃、76℃、77℃、78℃或79℃等。

优选地，步骤(iii)所述热压的压力为0.05～0.2kN，例如0.06kN、0.08kN、0.1kN、0.12kN、0.14kN、0.16kN、0.18kN或0.19kN等。

优选地，步骤(iii)所述热压的时间为0.8～1.5h，例如0.9h、1.0h、1.1h、1.2h、1.3h或1.4h等。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的燃料电池膜电极密封装置通过层级结构的尺寸设计和胶粘结构的特殊设计，使胶粘剂实现了扩散层、三层膜电极和密封边框的一次性同时粘接，并对扩散层边缘和密封边框的内缘进行全包围密封，有效隔绝了外界温度和湿度对膜电极本体的影响，使所述燃料电池膜电极密封装置能够在0～60％的湿度范围内维持稳定的使用性能30天以上，且外观平整，不会出现质子交换膜收缩、扩散层鼓翘等现象，证明所述燃料电池膜电极密封装置中膜电极的使用寿命和稳定性显著提升。本发明所述的燃料电池膜电极密封装置制备方法简单，通过密封边框和五层膜电极在注胶的夹具中一次热压即可得到，工艺步骤更加简化，降低了资源和时间成本，总体成本降低5％，具有更高的实用价值。

附图说明

图1为本发明提供的燃料电池膜电极密封装置的结构示意图，其中，1a为燃料电池膜电极，1b为密封边框，1c为胶粘剂层，1-1为质子交换膜，1-2为第一催化层，1-3为第二催化层，1-4为第一扩散层，1-5为第二扩散层，1b-1为定位孔；

图2为本发明提供的夹具的压合后结构示意图，其中，2a为第一半模具，2b为第二半模具；

图3为所述夹具的第一半模具2a的平面结构示意图，其中，2-1为边框承托区，2-2为膜电极承托区，2-3为注胶凹槽区，2a-1为定位销；

图4为所述夹具的第二半模具2b的平面结构示意图，其中，2-1为边框承托区，2-2为膜电极承托区，2-3为注胶凹槽区，2b-1为定位孔。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本发明以下实施例中的实验材料包括：

(1)质子交换膜：自美国杜邦公司，牌号为212；

(2)催化剂浆料：按照重量份包括如下组分，铂碳催化剂1重量份、全氟磺酸树脂溶液0.2重量份和异丙醇30重量份，补充去离子水使其固含量为2.5％；

(3)扩散层材料：表面含有微孔结构的碳纸，购自SGL公司，牌号为22BB；

(4)密封边框：购自青岛德兴，牌号为PET FR530 NC010；

(5)胶粘剂：购自东莞市派玛电子有限公司，牌号为TB1530。

实施例1

本实施例提供一种燃料电池膜电极密封装置，结构示意图如图1所示，制备方法包括以下步骤：

(1)将质子交换膜在恒温恒湿(21℃、60％湿度)环境中裁切成长度为270mm、宽度为170mm的长方形，在其上下表面268mm×168mm的区域内分别超声波喷涂催化剂浆料，得到三层膜电极；

(2)裁切两片长度为269mm、宽度为169mm的长方形扩散层，平覆到步骤(1)得到的三层膜电极的上下表面，压缩后得到厚度为380μm的五层膜电极；

(3)选取厚度为74μm的硬质单层高分子片材，裁剪成外缘尺寸为370mm×190mm、定位孔直径4mm(3个定位孔分别距离边框外缘长短边3mm和5mm)、内缘尺寸为270mm×170mm的密封边框；

夹具的结构示意图如图2、图3和图4所示，为不锈钢材质，边框承托区(2-1)的外缘尺寸为380mm×205mm，内缘尺寸为272mm×172mm，垂直高度为6mm；膜电极承托区(2-2)的尺寸为266mm×166mm，垂直高度为5.85mm；注胶凹槽区(2-3)的水平宽度为5mm，注胶凹槽(2-3)底面与膜电极承托区(2-2)表面的垂直高度为0.2mm，定位孔(2b-1)与定位销(2a-1)的直径均为4mm，距离边框承托区(2-1)外缘的长短边分别为13mm、15mm；

粘结密封的方法包括以下步骤：

(i)分别在第一半模具和第二半模具的注胶凹槽区内均匀刷涂一层脱模剂，然后沿注胶凹槽注入调配好的胶粘剂，注胶量以注胶凹槽饱满而不外溢；用专用刮板紧贴胶岸垂直胶道长度方向刮涂一圈，在将溢出胶道的粘结胶刮除的同时将胶道不饱满边缘用刮涂溢流填充密实；

(ii)将步骤(2)得到的五层膜电极水平覆盖到注胶的第一半模具上，使五层膜电极的中心点与膜电极承托区的中心点重合，长、短边分别平行于膜电极承托区的长、短边；将密封边框水平放置于注胶的第一半模具的边框承托区，将密封边框的定位孔穿入边框承托区的定位销中定位，密封边框的中心与边框承托区的中心重合，长、短边分别平行于边框承托区的长、短边；密封边框内缘与五层膜电极外缘接界上；然后覆盖步骤(i)得到的注胶的第二半模具(2b)，并将定位孔与定位销插合，得到合模夹具；

(iii)将步骤(ii)得到的合模夹具平放至热压机上下压板之间，按照胶粘剂的固化参数加压加热交联，加压至0.1kN，温度为75℃，恒温2h后释放压力，将冷却到室温的模具开模后，取出，得到所述燃料电池膜电极密封装置。

对比例1

本对比例提供一种传统燃料电池膜电极密封装置，制备方法包括以下步骤：

(1)将质子交换膜在恒温恒湿(21℃、60％湿度)环境中裁切成长度为270mm、宽度为170mm的长方形，在其上下表面268mm×168mm的区域内分别超声波喷涂催化剂浆料，得到三层膜电极；

(2)选取中间含有热敏胶、厚度为110μm的硬质双层高分子片材，裁剪成外缘尺寸为370mm×190mm、定位孔直径4mm(3个定位孔分别距离边框外缘长短边3mm和5mm)、内缘尺寸为269mm×169mm的密封边框；

(3)将步骤(1)得到的三层膜电极的边缘放入步骤(2)得到的密封边框的内框热敏胶层，四周边交叠1mm，将交叠平放的待粘接样品台平移到正方环形热压具下方定位，加压3秒热粘结，形成五层膜电极；

(4)在步骤(3)得到的五层膜电极的两面沿催化剂喷涂区域外边缘连续点粘结胶后，将尺寸为269mm×169mm的两片长方形扩散层沿点好的粘结胶平覆后热压，得到七层膜电极，即所述燃料电池膜电极密封装置。

性能测试：

(1)将实施例1和对比例1提供的燃料电池膜电极密封装置同时储存于21℃、60％湿度的恒温恒湿环境中，每组测试6个样品，180天后取出，目测观察膜电极的外观，膜电极平整未见异常，测试结果与同批次新制备样品相同。

(2)将实施例1和对比例1提供的燃料电池膜电极密封装置同时储存于21℃、30％湿度的恒温恒湿环境中，每组测试6个样品，1天后取出，目测观察膜电极的外观，本发明实施例1中的样品平整未见异常，测试结果与同批次新制备样品相同，对比例1中采用现有技术制备的样品出现质子交换膜收缩、扩散层鼓翘现象，恢复环境湿度后收缩和鼓翘现象稍有好转，但不能恢复原状，不能再组装电堆使用，膜电极报废。

(3)将实施例1和对比例1提供的燃料电池膜电极密封装置同时储存于21℃、0％湿度的恒温恒湿环境中，每组测试6个样品，0.5小时后取出，本发明实施例1中的样品平整未见异常，测试结果与同批次新制备样品相同，对比例1中采用现有技术制备的6个样品均出现质子交换膜收缩、扩散层鼓翘现象，恢复环境湿度后收缩和鼓翘现象稍有好转，但不能恢复原状，不能再组装电堆使用，膜电极报废。本发明实施例1中的6个样品在21℃、0％湿度的恒温恒湿环境中储存30天后取出，有4个样品平整未见异常，测试结果与同批次新制备样品相同，2个样品出现质子交换膜收缩、扩散层鼓翘现象，恢复环境湿度后收缩和鼓翘现象不能恢复原状，无法再组装电堆使用。

根据以上性能测试实验可知，环境湿度的变化对膜电极的性能会有很大影响，本发明提供的燃料电池膜电极密封装置通过层级结构的尺寸设计和胶粘结构的特殊设计，使所述燃料电池膜电极密封装置的气密性显著提升，比现有技术中的密封装置具有明显优异的阻湿性，而且制备工艺简单，节约了传统制备技术中的点胶粘结扩散层和热压粘接边框工艺，对边框材质和结构要求简单化，总体成本降低5％，具备很大的实用价值。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的燃料电池膜电极密封装置及其制备方法，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (24)

1.一种燃料电池膜电极密封装置，其特征在于，所述燃料电池膜电极密封装置包括燃料电池膜电极(1a)及其外周的密封边框(1b)；

所述燃料电池膜电极(1a)包括质子交换膜(1-1)，以及粘结于所述质子交换膜上下表面的第一催化层(1-2)和第二催化层(1-3)，所述第一催化层的表面设置第一扩散层(1-4)，所述第二催化层的表面设置第二扩散层(1-5)；所述质子交换膜(1-1)、第一催化层(1-2)、第二催化层(1-3)、第一扩散层(1-4)和第二扩散层(1-5)的中心点重合；

所述第一催化层(1-2)和第二催化层(1-3)的平面尺寸相等，且小于质子交换膜(1-1)的平面尺寸；

所述第一扩散层(1-4)和第二扩散层(1-5)的平面尺寸相等，且大于第一催化层(1-2)小于质子交换膜(1-1)；

所述密封边框(1b)的内缘尺寸与质子交换膜(1-1)的平面尺寸相等；

所述密封边框(1b)为硬质单层高分子边框，所述密封边框(1b)与燃料电池膜电极(1a)之间通过胶粘剂层(1c)形成密封结构；

所述燃料电池膜电极密封装置采用如下方法进行制备，所述方法由以下步骤组成：

(1)在质子交换膜的上下表面分别涂覆催化剂浆料、干燥，得到三层膜电极；

(2)在步骤(1)得到的三层膜电极的上下表面分别覆盖扩散层材料，得到五层膜电极；

(3)将步骤(2)得到的五层膜电极和密封边框置于注胶的夹具中进行粘结密封，得到所述燃料电池膜电极密封装置。

2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极密封装置，其特征在于，所述质子交换膜(1-1)与第一催化层(1-2)的长度差为2～3mm。

3.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极密封装置，其特征在于，所述质子交换膜(1-1)与第一催化层(1-2)的宽度差为2～3mm。

4.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极密封装置，其特征在于，所述密封边框(1b)的3个顶角处分别设有定位孔(1b-1)。

5.根据权利要求4所述的燃料电池膜电极密封装置，其特征在于，所述定位孔(1b-1)的直径为4～6mm。

6.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极密封装置，其特征在于，所述密封边框(1b)的厚度为0.05～0.075mm。

7.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极密封装置，其特征在于，所述胶粘剂层(1c)的胶粘剂为有机硅胶粘剂。

8.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极密封装置，其特征在于，所述胶粘剂层(1c)的水平宽度为4～6mm。

9.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极密封装置，其特征在于，所述第一催化层(1-2)和第二催化层(1-3)为铂碳催化层。

10.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极密封装置，其特征在于，所述第一扩散层(1-4)和第二扩散层(1-5)为表面有微孔结构的碳纸层。

11.一种如权利要求1～10任一项所述的燃料电池膜电极密封装置的制备方法，其特征在于，所述制备方法由以下步骤组成：

(1)在质子交换膜的上下表面分别涂覆催化剂浆料、干燥，得到三层膜电极；

(2)在步骤(1)得到的三层膜电极的上下表面分别覆盖扩散层材料，得到五层膜电极；

(3)将步骤(2)得到的五层膜电极和密封边框置于注胶的夹具中进行粘结密封，得到所述燃料电池膜电极密封装置。

12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述催化剂浆料包括铂碳催化剂、全氟磺酸树脂溶液和分散剂。

13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂选自异丙醇、乙醇、乙二醇或丙酮中的任意一种或至少两种的组合。

14.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述涂覆的方法为超声喷涂。

15.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述干燥的温度为60～80℃。

16.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述扩散层材料为表面有微孔结构的碳纸。

17.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述夹具包括相互压合的第一半模具(2a)和第二半模具(2b)，所述第一半模具(2a)和第二半模具(2b)包括中心点重合的边框承托区(2-1)、膜电极承托区(2-2)和注胶凹槽区(2-3)；

所述边框承托区(2-1)的外缘尺寸大于密封边框(1b)的外缘尺寸，内缘尺寸小于密封边框(1b)的外缘尺寸且大于密封边框(1b)的内缘尺寸；

所述膜电极承托区(2-2)的平面尺寸小于燃料电池膜电极密封装置中第一催化层(1-1)的平面尺寸；

所述边框承托区(2-1)的高度大于膜电极承托区(2-2)的高度；

所述膜电极承托区(2-2)顶点至注胶凹槽区(2-3)与膜电极承托区(2-2)抵接点的垂直距离为0.2～0.3mm；

所述第一半模具(2a)的3个顶角处设置有定位销(2a-1)，所述第二半模具(2b)在与第一半模具相应的位置设置有定位孔(2b-1)。

18.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，所述边框承托区(2-1)与膜电极承托区(2-2)的高度差为五层膜电极厚度的1/2。

19.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，所述注胶凹槽区(2-3)的水平宽度为4～6mm。

20.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，所述夹具的材质为金属板材。

21.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述粘结密封的方法包括以下步骤：

(i)分别在第一半模具(2a)和第二半模具(2b)的注胶凹槽区(2-3)内涂覆脱模剂，然后注入胶粘剂，得到注胶的第一半模具(2a)和注胶的第二半模具(2b)；

(ii)将步骤(2)得到的五层膜电极置于步骤(i)得到的注胶的第一半模具(2a)上，使五层膜电极的中心点与膜电极承托区(2-2)的中心点重合；将密封边框置于注胶的第一半模具(2a)的边框承托区(2-1)上，将密封边框上的定位孔(1b-1)与定位销(2a-1)连接；然后覆盖步骤(i)得到的注胶的第二半模具(2b)，并将定位孔(2b-1)与定位销(2a-1)连接，得到合模夹具；

(iii)将步骤(ii)得到的合模夹具进行热压，开模，得到所述燃料电池膜电极密封装置。

22.根据权利要求21所述的制备方法，其特征在于，步骤(iii)所述热压的温度为70～80℃。

23.根据权利要求21所述的制备方法，其特征在于，步骤(iii)所述热压的压力为0.05～0.2kN。

24.根据权利要求21所述的制备方法，其特征在于，步骤(iii)所述热压的时间为0.8～1.5h。

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