一种燃料电池单电池用密封材料及其制备方法与流程

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种燃料电池单电池用密封材料及其制备方法。

背景技术：

1、燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池具有零排放、无振动噪音、负荷响应性好、高可靠度等优点。燃料电池通常可分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸碳燃料电池、固态氧化物燃料电池以及质子交换膜燃料电池等；其中，质子交换膜燃料电池能量转化效率高，可以在室温下快速启动，并且无电解水流失，寿命长，近年来发展迅速，越来越受到重视。

2、燃料电池通常包括膜电极(也称为mea)与集电器(current collector)；其中，燃料电池的膜电极是还原剂发生氧化反应 ，以及氧化剂发生还原反应的电化学反应场所。传统膜电极主要包括位于中间且其两侧分别一体设有阴极和阳极的质子交换膜和分别位于质子交换膜上下表面的气体扩散层组成，为了促进电化学反应的发生，一般还会在阴极、阳极和质子交换膜之间设置催化剂(通常位于质子交换膜与气体扩散层之间的界面)；而集电器通常又称作双极板，双极板负责把燃料和空气分配到阴阳电极表面以及电堆的散热，也是负责将单电池串联起来组成燃料电池电堆的关键部件，主要起分隔氧化剂、还原剂和冷却剂以及收集电流的作用。在实际制造时，燃料电池电堆内的流体传输通道之间，以及流体传输通道和电堆外部之间都需要密封。流体的泄露或电堆内不同流体之间的混合不仅造成浪费、降低电堆的使用性能，而且可能会引起安全事故。因此，燃料电池电堆技术中的密封技术对电堆的安全、寿命、效率等各方面都有巨大的影响。在现有技术的燃料电池电堆中，通常在石墨或金属极板需要密封的边缘处设置嵌入槽，在该嵌入槽内放置密封垫圈，或通过打胶机在密封的边缘处打一圈胶经过固化和压合后实现密封。然而，这些密封方法通常会面临以下技术问题：

3、a.一般只有单个防止泄露的密封道，密封失效风险较高。

4、b.需要通过对密封圈施加很大的压力才能形成较好的密封，因而在极板的局部区域形成了较大的应力，容易导致极板的损坏或扭曲。

5、c.需要在极板上预设凹槽，从而增加了极板的厚度要求，降低了燃料电池电堆的功率密度。

6、d.单条密封圈或密封胶线容易发生塑性形变，密封失效风险较高。

7、因此寻求新的密封技术方案来有效改善燃料电池单电池的密封性能是非常有必要的。

技术实现思路

1、本发明所要解决的第一个技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种燃料电池单电池用密封材料，耐水解、压缩形变量小且密封性能好，提高了膜电极的使用寿命。

2、为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：

3、一种燃料电池单电池用密封材料，包括依次贴合设置的包括离型层ⅰ、缓冲层、基材层、热熔粘结层和离型层ⅱ；

4、所述离型层ⅰ和所述离型层ⅱ均为带有网格形状的网格离型膜或哑光离型膜；

5、所述基材层的材质为pen材料、psu材料、ppsu材料、pes材料、pi材料、pps材料或pei材料中的一种；

6、所述热熔粘结层由重量比为100：（5-25）：(30～70)：（200～400）：(0～15)：（0-20）：（1-5）：(0.5～5)的苯乙烯嵌段共聚物、二甲苯树脂、增粘树脂、有机溶剂ⅰ、聚二丁烯树脂、环氧树脂、交联剂和抗氧剂ⅰ混合均匀制得；

7、所述缓冲层由重量比为100：(10～50)：（0.1～1）：(0.5～5)：(100～400)的聚异丁烯树脂、活性单体、自由基光引发剂、抗氧剂ⅱ和有机溶剂ⅱ混合均匀制得。

8、优选的，所述苯乙烯嵌段共聚物为马来酸酐接枝改性的sebs弹性体；

9、所述二甲苯树脂是二甲苯与甲醛加成缩合后的无定型低聚物，所述二甲苯树脂的羟基值为20～40mgkoh/g；

10、所述增粘树脂为松香树脂、萜烯树脂或石油树脂中的一种；

11、所述有机溶剂ⅰ为乙酸乙酯、丙酮、丁酮和甲苯中的一种或两种的混合溶液。

12、优选的，所述聚二丁烯树脂为端羟基聚丁二烯树脂或环氧化聚丁二烯树脂中的一种；

13、所述交联剂为异氰酸酯；

14、所述环氧树脂为环氧树脂为双酚a环氧树脂、双酚f环氧树脂中的一种，所述环氧树脂的环氧值为400-700 g/eq；

15、所述抗氧剂ⅰ为芳香胺类抗氧剂、受阻酚类抗氧剂中的一种。

16、优选的，所述聚异丁烯树脂为丙烯酰基封端的聚异丁烯树脂。

17、优选的，所述活性单体为丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸异冰片酯、丙烯酸二环戊烯酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、双三羟甲基丙烷四丙烯酸酯、双季戊四醇六丙烯酸酯中的一种。

18、所述自由基光引发剂为1-羟基环己基苯甲酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、2-二甲氨基-2-（4-甲基）苄基-1-[4-(4-吗啉基)苯基]-1-丁酮、单酰基磷化氢、安息香双甲醚中的一种或两种以上的混合物。

19、所述抗氧剂ⅱ为芳香胺类抗氧剂、受阻酚类抗氧剂中的一种。

20、所述有机溶剂ⅱ为乙酸乙酯、丙酮、丁酮、甲苯中的一种或两种的混合溶液。

21、所述离型层ⅰ和所述离型层ⅱ的厚度均为25～150um，所述缓冲层厚度为25～100um，所述热熔粘结层厚度为25～100um，所述基材层的厚度为12～250um。

22、本发明所要解决的第二个技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种燃料电池单电池用密封材料的制备方法，制得的密封材料对ccm和双极板能够有效粘结，耐水解、压缩形变量小且密封性能好，提高了膜电极的使用寿命。

23、为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：

24、一种燃料电池单电池用密封材料的制备方法，包括以下步骤：

25、s01、缓冲层树脂的制备

26、将聚异丁烯树脂、活性单体、自由基光引发剂、抗氧剂ⅱ、有机溶剂ⅱ在常温、转速300～1000r/min下搅拌20～60min，直至溶解混合均匀，制得缓冲层树脂；

27、s02、缓冲层的制备

28、将步骤s01制得的缓冲层树脂经200～800目滤网或1～20um滤芯过滤，后经刮刀涂布机或ced涂布机涂布于基材层面上，干燥完全附上离型层ⅰ后再经过uv照射，得到具有单面缓冲层的密封材料；

29、s03、热熔粘结层胶黏剂的制备

30、将苯乙烯嵌段共聚物、二甲苯树脂、增粘树脂、有机溶剂ⅰ、聚二丁烯树脂、环氧树脂、交联剂和抗氧剂ⅰ在常温、转速300～1000r/min下搅拌20～60min，直至溶解混合均匀，制得热熔粘结层胶黏剂；

31、s04、热熔粘结层的制备

32、将步骤s03制得的热熔粘结层胶黏剂经200～800目滤网或1～20um滤芯过滤，后经刮刀涂布机或ced涂布机涂布于上述具有单面缓冲层的密封材料的基材层另一面上，干燥完全附上离型层ⅱ即得燃料电池单电池用密封材料。

33、由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

34、1.本发明采用具备热熔粘结作用的热熔粘结层胶黏剂制得密封材料，对ccm具有极好的粘结效果且二甲苯树脂、聚丁二烯橡胶添加使得热熔胶胶层具有极低的吸水率和高粘结强度、高耐久性，同时也使得膜电极制作过程简单，效率和良率显著提高。

35、2.本发明通过在pi、pen、psu、ppsu、pes、pps或pei材料涂布热熔粘结层胶黏剂和缓冲层树脂，不仅能够牢固粘结双极板材料且同时能够对膜电极起到支撑密封作用，具有压缩形变量小和高耐水解性。

36、3.本发明通过选用无n、p、s以及al、cu、ni、cd、cr、pb、fe的原料制作热熔粘结层热熔胶以及缓冲层树脂，避免密封材料长期酸液浸泡后的析出问题，极大的提高的膜电极的使用寿命。

37、4.本发明采用具有优秀的物理机械性能、气体阻隔性能、化学稳定性及耐热、耐紫外线、耐辐射等性能的pen材料、psu材料、ppsu材料、pes材料、pi材料、pps材料或pei材料作为基材，搭配具有高粘结强度和低析出物的热熔粘结层胶黏剂，以及具有极低的水汽、氢气、氧气透过率的缓冲层树脂，确保密封材料具有优异的耐老化性和低析出性，从而提高电堆的使用寿命。

38、5.本发明制得的密封材料在电堆拆解返修时能够快速有效的拆解避免损坏，极大的提高了电堆内材料的利用率。

39、6.环氧树脂能与异氰酸酯固化剂和酸酐官能团反应，增加热熔胶的化学交联，提高的热熔胶的耐久性。