br>[0039] 活性區(qū)2包含質子交換膜1、催化層21、多孔擴散層22。質子交換膜1優(yōu)選為全氟 磺酸質子膜；催化層21由催化劑構成，優(yōu)選為Pt、Ru、Ir、Pd、Rh等貴金屬；多孔擴散層22 優(yōu)選為碳纖維紙或碳纖維布。
[0040] 催化層21位于質子交換膜1的兩側，催化層21的兩側分別與多孔擴散層22壓合。
[0041] 邊框區(qū)3由質子交換膜1延伸出催化層21邊緣的區(qū)域與夾置在延伸出的質子交 換膜1兩側的纖維增強復合材料組成。
[0042] 多孔擴散層22的尺寸大小與催化層21 -致，質子交換膜1從催化層21中延伸至 邊框區(qū)3,其延伸出催化層21部分的尺寸大小與邊框區(qū)3 -致。
[0043] 質子交換膜1邊緣部分延伸出活性區(qū)2面積，質子交換膜1兩側邊框區(qū)3采用 纖維增強復合材料，裁割成活性區(qū)2中空的相框形狀，置于定位板中，定位后，熱壓成型。 即，纖維增強復合材料與夾置在其中的質子交換膜1，通過熱壓結合成邊框區(qū)3,熱壓溫度 12(TC~16(TC，時間 150s-600s，壓力 0·IMPa~0· 5MPa。
[0044] 纖維增強復合材料厚度小于或等于催化層21與多孔擴散層22厚度之和。優(yōu)選地， 纖維增強復合材料厚度等于催化層21與多孔擴散層22厚度之和的30°/『80%。
[0045] 邊框區(qū)3中，質子交換膜1與位于其上下兩層的纖維增強復合材料通過化學鍵和 作用直接結合。該化學鍵和作用優(yōu)選為通過樹脂與質子交換膜1中磺酸根發(fā)生反應，包含： 環(huán)氧基反應：
[0046] 纖維增強復合材料由增強纖維和高分子基體復合而成。
[0047] 增強纖維包含人造纖維，合成纖維，或無機纖維中的任意一種或幾種；人造纖維包 含黏膠纖維、醋酸纖維、銅氨纖維等中的任意一種或幾種；合成纖維包含聚酯纖維、聚酰胺 纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維、聚氯乙烯纖維、芳綸聚酰胺纖維、超高分 子量聚乙烯纖維、聚乙烯醇纖維、聚苯硫醚纖維等中的任意一種或幾種；無機纖維包含玻璃 纖維，金屬纖維、碳纖維、硼纖維、氮化硅晶須、石棉纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、奠來石纖 維等中的任意一種或幾種。優(yōu)選為玻璃纖維、碳纖維和硼纖維、芳綸聚酰胺纖維、石棉纖維、 陶瓷纖維等中的任意一種或幾種。
[0048] 高分子基體的化學結構中包含羥基、環(huán)氧基，或其它能夠與磺酸基發(fā)生聚合反應 的基團中的任意一種或幾種。
[0049] 高分子基體包含以下任意一種或幾種：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚甲醛、聚對苯二甲 酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、丙烯酸樹脂和甲基丙烯酸樹脂即丙烯酸類樹脂，及其任意 幾種的共聚物等。
[0050] 本發(fā)明還提供了該燃料電池電極結構的制備方法，包含： 步驟1，在質子交換膜1兩側的中間區(qū)域分別涂敷陽極催化劑和陰極催化劑，構成催化 層21。
[0051] 步驟2,再將碳纖維紙或碳纖維布夾置在在催化層21兩側，構成多孔擴散層22 ;碳 纖維紙或碳纖維布與催化層21的尺寸相同，即為活性區(qū)2的面積大??；質子交換膜1延伸 出催化層21和碳纖維紙或碳纖維布的四周。
[0052] 步驟3,將碳纖維紙或碳纖維布和涂有催化層21的質子交換膜1進行三合一熱壓， 熱壓溫度 120°C~180°C，時間 30s~600s，壓力 0· 5MPa~10MPa。
[0053] 步驟4,將增強纖維和高分子基體復合而成的纖維增強復合材料裁割成活性區(qū)2 中空的相框形狀，夾置在質子交換膜1延伸出催化層21和碳纖維紙或碳纖維布四周的區(qū) 域兩側，置于定位板中，定位后，通過熱壓結合成邊框區(qū)3,熱壓溫度120°C~160°C，時間 150-600s，壓力 0· 5MPa~10MPa。
[0054] 本發(fā)明還提供了一種燃料電池，包含該電極結構，該電極結構具有該邊框區(qū)3。
[0055] 以下通過實施例對本發(fā)明的實施方式進行更詳細的說明。
[0056] 實施例1 通過如下方法制備包括邊框區(qū)3和活性區(qū)2的燃料電池電極結構： 將纖維增強復合材料片材裁割成相框形。纖維增強復合材料可以是玻璃纖維增強環(huán)氧 樹脂復合材料（GRFC)，片材厚度可以是100μπι。相框形外部尺寸100_X100mm，內部尺寸 是75mmX75mm。裁割兩片。
[0057] 將28μm厚度的全氟磺酸質子膜裁割成100X100mm的尺寸。
[0058] 將上述2片相框形的玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料分別置于全氟磺酸質子膜 的兩側，并固定。
[0059] 將上述定位好的玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料和全氟磺酸質子膜置于壓機中， 熱壓150s，其中壓機溫度是130°C，壓力是0.IMPa。即可成型燃料電池膜電極的邊框結構。
[0060] 然后，裁割2片碳紙（Ballard，P50T，160μm)，尺寸為75mmX75mm，分別置于成型 好的燃料電池膜電極的邊框結構2側的中心位置，使得碳紙邊緣正好與玻璃纖維增強環(huán)氧 樹脂復合材料內邊緣對齊。然后放入壓機，熱壓成型即可。其中控制壓機溫度為130°C，時 間 60s，壓力 0· 5MPa。
[0061] 在玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料和全氟磺酸質子膜熱壓的過程中，發(fā)生反應， 使得兩種材料壓合在一起。玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料中的環(huán)氧樹脂組分起到膠聯聚 合的作用。環(huán)氧樹脂中的環(huán)氧基與全氟磺酸樹脂中磺酸基，發(fā)生反應式1，使得兩種材料膠 聯，粘合在一起。同時，環(huán)氧樹脂中的羥基也會與全氟磺酸樹脂中磺酸基反應式2,進一步增 強了膠聯的強度。
[0062]本發(fā)明提供的燃料電池電極結構及其制備方法，特別適用于質子交換膜燃料電 池。該結構具有密封邊框，能夠解決電池的密封，并且使得電池的密封可靠性提高、額外重 量降低，電池的壽命延長，操作簡易，生產效率提高。
[0063]盡管本發(fā)明的內容已經通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的 描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發(fā)明的 多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
【主權項】
1. 一種燃料電池電極結構，其特征在于，該電極結構包含活性區(qū)（2)，以及設置在活性 區(qū)（2)四周的邊框區(qū)（3); 所述的活性區(qū)（2)包含質子交換膜（1)、催化層（21)、多孔擴散層（22)，所述的催化層 (21)位于質子交換膜（1)的兩側，催化層（21)的兩側分別與多孔擴散層（22)壓合； 所述的邊框區(qū)（3)由所述質子交換膜（1)延伸出催化層（21)邊緣的區(qū)域與夾置在延伸 出的質子交換膜（1)兩側的纖維增強復合材料組成； 所述邊框區(qū)（3 )厚度小于活性區(qū)（2 )。2. 如權利要求1所述的燃料電池電極結構，其特征在于，所述的多孔擴散層（22)的尺 寸大小與催化層（21)-致，質子交換膜（1)從催化層（21)中延伸至邊框區(qū)（3)，其延伸出催 化層（21)部分的尺寸大小與邊框區(qū)（3) -致；所述的纖維增強復合材料厚度小于或等于催 化層（21)與多孔擴散層（22 )厚度之和。3. 如權利要求2所述的燃料電池電極結構，其特征在于，所述的纖維增強復合材料厚 度等于催化層（21)與多孔擴散層（22)厚度之和的30%~80%。4. 如權利要求2所述的燃料電池電極結構，其特征在于，所述的邊框區(qū)（3)中，質子交 換膜（1)與位于其上下兩層的所述纖維增強復合材料通過化學鍵和作用直接結合。5. 如權利要求4所述的燃料電池電極結構，其特征在于，所述的纖維增強復合材料由 增強纖維和高分子基體復合而成。6. 如權利要求5所述的燃料電池電極結構，其特征在于，所述的增強纖維包含人造纖 維，合成纖維，或無機纖維中的任意一種或幾種； 所述的人造纖維包含黏膠纖維、醋酸纖維、銅氨纖維中的任意一種或幾種； 所述的合成纖維包含聚酯纖維、聚酰胺纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖 維、聚氯乙烯纖維、芳綸聚酰胺纖維、超高分子量聚乙烯纖維、聚乙烯醇纖維、聚苯硫醚纖維 中的任意一種或幾種； 所述的無機纖維包含玻璃纖維，金屬纖維、碳纖維、硼纖維、氮化硅晶須、石棉纖維、陶 瓷纖維、玄武巖纖維、奠來石纖維中的任意一種或幾種。7. 如權利要求5所述的燃料電池電極結構，其特征在于，所述的高分子基體，其化學結 構中包含羥基、環(huán)氧基，或其它能夠與磺酸基發(fā)生聚合反應的基團中的任意一種或幾種。8. 如權利要求7所述的燃料電池電極結構，其特征在于，所述的高分子基體，包含以 下任意一種或幾種：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚甲醛、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二 酯、丙烯酸樹脂和甲基丙烯酸樹脂，及其任意幾種的共聚物。9. 一種如權利要求1~7中任意一項所述的燃料電池電極結構的制備方法，其特征在 于，所述的方法包含： 步驟1，在質子交換膜（1)兩側的中間區(qū)域分別涂敷陽極催化劑和陰極催化劑，構成催 化層（21); 步驟2,再將碳纖維紙或碳纖維布夾置在催化層（21)兩側，構成多孔擴散層（22);碳纖 維紙或碳纖維布與催化層（21)的尺寸相同，質子交換膜（1)延伸出催化層（21)和碳纖維紙 或碳纖維布的四周； 步驟3,將碳纖維紙或碳纖維布和涂有催化層（21)的質子交換膜（1)進行三合一熱壓， 熱壓溫度 120°C~180°C，時間 30s~600s，壓力 0· 5MPa~10MPa; 步驟4,將增強纖維和高分子基體復合而成的纖維增強復合材料與質子交換膜（1)延 伸出催化層（21)和碳纖維紙或碳纖維布四周的區(qū)域通過熱壓結合成邊框區(qū)（3)，熱壓溫度 120°C~160°C，時間 150-600s，壓力 0· 5MPa~lOMPa。10.-種燃料電池，其特征在于，所述的燃料電池包含權利要求9所述的電極結構，所 述的電極結構具有所述的邊框區(qū)（3)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種燃料電池電極結構及其制備方法，該電極結構包含活性區(qū)，以及設置在活性區(qū)四周的邊框區(qū)；活性區(qū)包含質子交換膜、催化層、多孔擴散層，催化層位于質子交換膜的兩側，催化層的兩側分別與多孔擴散層壓合；邊框區(qū)由質子交換膜延伸出催化層邊緣的區(qū)域與夾置在延伸出的質子交換膜兩側的纖維增強復合材料組成；邊框區(qū)厚度小于活性區(qū)。本發(fā)明還提供了該燃料電池電極結構的制備方法。本發(fā)明提供的燃料電池電極結構及其制備方法，不但能夠解決電池的密封，并且使得電池的密封可靠性提高、額外重量降低。電池的壽命延長，操作簡易，生產效率高。
【IPC分類】H01M8/0273, H01M4/86, H01M8/10, H01M4/88, H01M8/02
【公開號】CN105304911
【申請?zhí)枴緾N201510839641
【發(fā)明人】王麗娜, 劉向, 張偉, 王濤
【申請人】上?？臻g電源研究所
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年11月27日