专利名称：质子交换膜燃料电池的膜电极边框结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及燃料电池，尤其是质子交换膜燃料电池的膜电极边框密封结构。
背景技术：
目前，公知的质子交换膜燃料电池是一种能够将蕴藏在氢燃料及氧化剂中的化学能直接转化为电能及反应产物的发电装置。其中，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)以全氟磺酸性固体聚合物为电解质，因此其内部核心部件是膜电极(MembraneElectrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜和膜两面夹两张多孔透气、导电的扩散层材料组成，如碳纸、碳布。在膜与碳纸(碳布)的两边界面上含有均匀、细小分散的引发电化学反应的电催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导流极板将电化学反应过程中释放生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在典型的PEMFC中，膜电极(MEA)夹合在两块导电的阴阳极导流极板中间，即构成一个单电池，若干个单电池串联便组合成具有一定输出电压和功率的电池堆。导流极板的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在膜电极的阳极端，燃料气体，如氢气，可以通过多孔性扩散材料(如碳纸)，到达阳极催化层并在催化剂催化作用下，失去电子，转变为质子并在电场力的作用下透过质子交换膜迁移至阴极端，同时电子由外电路引出做功；在膜电极的阴极端，氧化性介质，如氧气，通过多孔性扩散材料(如碳纸)，到达阴极催化区后在阴极电催化剂作用下与从阳极迁移来的质子结合生成水并随阴极尾气排出，进而完成电池的发电过程。以氢气和氧气为燃料和还原剂时，电池反应为阳极反应阴极反应电池反应质子交换膜燃料电池可用作车、船舰和新型空间飞行器等的电力系统，又可用作便携式、移动式、固定式的发电装置。为了确保质子交换膜燃料电池中的燃料与氧化剂气体能够均匀分布到整个膜电极两边表面上而又不产生混合直接发生化学反应，密封技术就非常关键。如果密封不好，则会发生燃料气体和氧化剂气体的相互间的或是向燃料电池外部的渗漏，不但会降低电池的效率，甚至会发生爆炸，对用电设备及人员造成危害。膜电极及其边框结构制备工艺的合理性决定了PEMFC的密封效果。目前，主要有以下3种膜电极及其边框的制备方法第1种方法原始膜电极的制备采用质子交换膜的面积远比膜电极中的多孔性支撑材料，如碳纸的面积大得多，超出碳纸面积的膜不是电化学反应的活性区，而电化学活性区的膜两面分别有两张载有催化剂的碳纸压合在一起。这种做法的膜电极放在两块导流极板中间后，其中大于电化学活性的膜直接当作密封部件，起到防止阴阳极气体互漏，同时防止相邻两块导流极板直接接触而短路。图1为第1种方法膜电极的结构示意图，包括空气进气口1、冷却水进口2、氢气进气口3、质子交换膜4、和涂有催化剂的活化部分5。
第2种方法欧洲专利EPO604683AI所采用的密封装置如图2所示，该装置包括空气进气口1、密封圈6、支撑材料7(如碳纸)，其特点是将膜电极上的两边多孔性支撑材料7，如两张碳纸，大大延伸出膜电极的活性区，将密封材料6嵌入支撑材料中，压在质子交换膜上，厚度大于膜电极的厚度，这样夹在集流板之间，而集流板上则不再需要放置密封材料。
第3种方法上海神力公司专利(专利号02283449.4)所采用的膜电极边框结构如图3所示，由质子交换膜4部分向外延伸并填充渗透树脂胶膜塑料8(或热固性橡胶)组成，其中，中间层为衬垫层81，它与延伸的质子交换膜端部对接，该中间层两面附着密封层82，该密封层与多孔性支撑材料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的厚度相同。
上述密封技术，虽然可达到密封燃料电池的目的，但存在以下缺陷一、对应于第1种方法的缺陷是由于质子交换膜一般是相当昂贵的功能性膜材料，大量露出后，没有得到充分利用，浪费严重；同时质子交换膜是一种易老化、易破裂的材料，长期在压力下与密封材料直接接触，更易破裂，导致密封失败。
二、对应于第2种方法的缺陷是由于密封圈材料放在膜电极的扩散层材料上，特别在膜电极二侧的扩散层材料设置密封圈材料难度很大。因为扩散层材料往往厚度很薄，结果必然要求密封圈的厚度很薄，而薄的密封圈极易变形，另外，质子交换膜两侧都设置密封圈，则密封圈下面的局部质子交换膜承受巨大的集中压力，容易被压变形，长期受压即易破裂而导致密封失败。
三、对应于第3种方法的缺陷是密封层与多孔性支撑材料端部对接并产生渗透会影响活性区边缘处的气体扩散，进而使得边缘处的催化剂不能与气体反应，降低了催化剂的利用率，同时密封层材料与多孔性支撑材料的性质差别很大，两者相互渗透交接后的强度可靠度不高。
发明内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种质子交换膜燃料电池的膜电极边框结构。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种质子交换膜燃料电池的膜电极边框结构，该装置包括交换膜沿扩散层支撑材料边缘向外少量延伸，交换膜的延伸部分和扩散层支撑材料用密封胶带胶合，在延伸部分的中间填充高强度耐温塑料薄膜，其两面依次附着树脂胶膜和耐温塑料薄膜，中间层的耐温塑料薄膜的厚度与质子交换膜相当，并与延伸的质子交换膜端部对接。
本实用新型的有益效果是利用密封胶带不影响活性区边缘处催化剂的利用，又具有较好的密封效果。与现有技术相比，本实用新型密封可靠性高，边框厚度调节方便，工艺简单，可实现批量性生产。
图1为现有技术，原始膜电极的结构示意图；包括空气进气口1、冷却水进口2、氢气进气口3、质子交换膜4、涂有催化剂的活化部分5图2为现有技术，欧洲专利公开的膜电极密封结构示意图；包括
空气进气口1、交换膜4、密封圈6、支撑材料7图3为现有技术，中国专利公开的的膜电极密封结构示意图；包括质子交换膜4、支撑材料7、树脂胶膜塑料8、衬垫层81，密封层82图4为本实用新型质子交换膜燃料电池的膜电极边框结构；包括质子交换膜4、扩散层支撑材料7、密封胶带9、耐温塑料薄膜10、树脂胶膜11。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细的说明。
图4为本实用新型质子交换膜燃料电池的膜电极边框结构示意图，该装置包括交换膜4沿扩散层支撑材料7的边缘向外少量延伸，用密封胶带9将交换膜4的延伸部分和扩散层支撑材料7进行胶合保护，以增强质子交换膜的强度，密封胶带9可采用薄型聚酰亚胺胶带或其他材料胶带，分为两层，对称分布在质子交换膜的两侧，并部分覆盖多孔性扩散层支撑材料表面，但并没有堵塞多孔性支撑材料的内部空隙，故而不会影响活性区边缘处的透气性，对活性区边缘处催化剂的利用不会有影响。然后在延伸部分填充耐温塑料薄膜10、树脂胶膜11，其中，高强度耐温塑料薄膜10可采用聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚砜薄膜或其他耐温高分子薄膜，中间层耐温塑料薄膜10的厚度与质子交换膜相当，并与延伸的质子交换膜端部对接，该中间层耐温塑料薄膜10的两面依次附着树脂胶膜11、耐温塑料薄膜10；树脂胶膜11可以采用热固性热熔胶有机胶膜。通过一次性热压合的方式将耐温塑料薄膜10、树脂胶膜11和质子交换膜4的延伸部分融为一体，作为膜电极的边框，确保膜电极与导流极板的紧密接触，以及和电池堆的有效密封。
该边框的厚度可以根据需要通过选用不同厚度的耐温塑料薄膜10、树脂胶膜11或增减耐温塑料薄膜10、树脂胶膜11的层数进行调节。热压合成型后的膜电极边框，可根据导流极板具体形状，采用刀模冲割方式一次性进行通孔和膜电极外形成型。
本实用新型利用密封胶带有效地保护了质子交换膜，不会影响活性区边缘处催化剂的利用，又能有较好的密封效果，同时利用不同厚度的高强度塑料薄膜、树脂胶膜或调节耐温塑料薄膜、树脂胶膜的使用层数来控制密封区的厚度，在热压合条件下热压合成型。与现有技术相比，具有可靠性高，边框厚度调节方便，工艺简单等有益效果，可实现批量性生产。
权利要求1.一种质子交换膜燃料电池的膜电极边框，包括质子交换膜、扩散层支撑材料和密封材料，其特征在于所述的质子交换膜沿扩散层支撑材料边缘向外少量延伸，交换膜的延伸部分与扩散层支撑材料用密封胶带胶合；延伸部分的中间填充耐温塑料薄膜，其两面依次附着树脂胶膜和耐温塑料薄膜，中间层的耐温塑料薄膜的厚度与质子交换膜相当，并与延伸的质子交换膜端部对接。
2.根据权利要求书1所述的膜电极边框，其特征在于所述的密封胶带采用薄型聚酰亚胺胶带，分为两层，对称分布在质子交换膜的两侧，并部分覆盖扩散层支撑材料表面。
3.根据权利要求书1所述的膜电极边框，其特征在于所述的耐温塑料薄膜采用聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚砜薄膜或其他耐温高分子薄膜；树脂胶膜采用热固性热熔胶有机胶膜。
4.根据权利要求书1所述的膜电极边框，其特征在于所述的耐温塑料薄膜、树脂胶膜和质子交换膜的延伸部分通过一次性热压合的方式融为一体。
5.根据权利要求书1所述的膜电极边框，其特征在于所述的边框的厚度根据需要通过选用不同厚度的耐温塑料薄膜、树脂胶膜进行调节，还可以采取增减耐温塑料薄膜、树脂胶膜的层数进行调节。
6.根据权利要求书1所述的膜电极边框，其特征在于所述膜电极边框热压合成型后，可根据导流极板具体形状，采用刀模冲割方式一次性进行通孔和膜电极外形成型。
专利摘要本实用新型提供一种质子交换膜燃料电池的膜电极边框结构，该装置包括交换膜沿扩散层支撑材料边缘向外少量延伸，交换膜的延伸部分和支撑材料用密封胶带胶合，在延伸部分的中间填充高强度耐温塑料薄膜，其两面依次附着树脂胶膜和耐温塑料薄膜，中间层的耐温塑料薄膜的厚度与质子交换膜相当，并与延伸的质子交换膜端部对接，确保膜电极与导流极板紧密接触和电池堆有效密封。边框的厚度可以根据需要进行调节。与现有技术相比，本实用新型具有密封性能好、工艺简单、易于操作、成本低、可实现批量生产等优点。
文档编号H01M8/10GK2852407SQ200520046588
公开日2006年12月27日 申请日期2005年11月17日 优先权日2005年11月17日
发明者王东, 郭振波, 张伟, 刘向, 王涛, 张新荣 申请人:上海空间电源研究所