CN103715435B - 一种聚合物电解质膜电极的封边框工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于燃料电池技术领域的一种聚合物电解质膜电极的封边框工艺。所述工艺为：将膜电极合格品进行阴、阳极标示，并对标示后的膜电极进行边缘切割，使聚合物电解质膜空白边缘能置入两层边框之间；采用模具对膜电极进行定位，确保催化层位于中心位置，将第一层边框固定在膜电极一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，然后将第二层边框固定在膜电极另一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，并确保两层边框对称重叠；最后将该组件置入两层金属薄片内，进行热压成型。本发明的优点在于边框与聚合物膜结合力强、密封性好，生产过程简单，成本低，产量高，有助于提高膜电极性能和延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种聚合物电解质膜电极的封边框工艺，其适合于质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性离子膜燃料电池以及纯水电解池等电化学反应器用膜电极的封边框。
背景技术
聚合物电解质燃料电池（以下称为燃料电池）作为一种将化学能通过电化学反应的方式直接转化为电能的高效、高功率密度、环境友好的发电装置，被誉为能使地球降温的21项关键创新能源技术之一，在中小型电站、电动车和便携式电源等方面具有广阔的应用前景。纯水聚合物电解质电解池（以下称为纯水电解池）是燃料电池的逆反应器，能高效地将纯水电催化分解为氢气和氧气，在太阳能、风能等新能源电解制氢贮能方面具有广阔的应用前景。膜电极是燃料电池和纯水电解池的核心部件，是其性能、寿命、成本以及可靠性的决定因素，因此膜电极的制备技术及性能水平决定一个国家燃料电池和纯水电解池技术的先进程度以及有无商业化前景。膜电极从结构上大体可分为三合一组件（又称CCM，Catalyst Coating Membrane）和五合一组件，膜电极三合一组件主要由催化层|聚合物电解质膜|催化层构成，膜电极五合一组件主要由气体扩散层|催化层|聚合物电解质膜|催化层|气体扩散层构成，对于燃料电池来说是氧分子还原和氢分子氧化的电催化反应场所，对于电解池来说则是氢离子还原和氧离子氧化的电催化反应场所，同时也是质子、电子、气体、水传递的场所。一个理想的膜电极电化学结构应该具有较大的三相反应界面和高效的传质微结构以及在层间界面上具有通畅的传质通道对接。在膜电化学反应器的发展进程中，已发展了多种膜电极的制备方法，根据电催化剂负载方法不同可分为机械热压法（称为第一代）、直接喷涂法（称为第二代）、定向生长法（称为第三代）以及化学沉积法、电化学沉积法、物理溅射法等实验室内用于研究的制备方法，其中，第二代与第三代膜电膜制备方法是商业化生产的主流制备方法，比第一代膜电极大大减少了贵金属催化剂铂金的担载量。
在传统的燃料电池或电解池的组装中，需要膜电极部件中聚合物电解质膜面积大于催化层和扩散层的面积，即预留聚合物电解质膜空白边缘（未附着催化剂），该聚合物电解质膜空白边缘与两侧密封件配合在一起并在压力的作用下将阳极流场和阴极流场分隔开，起到防止氢氧气体混合发生爆炸的重要作用。因此膜电极不仅关系到电化学反应器的性能、寿命，而且还关系到电化学反应器的安全。然而传统的膜电极结构仍然不能满足电化学反应器的成本和安全的需求：一是膜电极空白聚合物边缘极易折皱，影响电化学反应器的密封性能；二是由于聚合物电解质膜与水的作用具有溶胀和收缩的反复应力，容易使聚合物电解质膜开裂破损，影响电化学反应器的可靠性和安全性；三是预留空白聚合物电解质膜用于电化学反应器的密封存在成本较高的问题。因此必须对膜电极的边缘进行技术改进，以提高电化学反应器的密封性、可靠性、安全性并降低成本。目前，针对以上问题，通常采用在膜电极聚合物电解质膜空白边缘上制备边框，将聚合物电解质膜空白边缘夹在两层边框之间的方法来提高膜电极边缘的机械强度，并稳定膜电极尺寸的作用，如专利[US3134697、CN200480030791.7、CN200810197098.9]中均有介绍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚合物电解质膜电极的封边框工艺。
本发明的技术方案如下：
一种聚合物电解质膜电极的封边框工艺，包括以下步骤：
1）确保膜电极尺寸完整性，无针孔和破损，将膜电极进行阴、阳极标示，并对标示后的膜电极进行边缘切割，使聚合物电解质膜空白边缘（未载有催化剂）能置入两层边框之间，置入深度不少于3mm且不超过边框范围；
2）将步骤1）外理的膜电极平铺在基板上，采用模具对膜电极进行定位，确保催化层位于边框圈闭区域内部中心位置，将第一层边框固定在膜电极一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，然后将第二层边框固定在膜电极另一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，并确保两层边框层叠对应一致；
3）检查、确保步骤2）中边框|膜电极|边框三合一之间无聚合物电解质膜卷曲或存在杂物；将上述边框|膜电极|边框三合一组件置入两层金属薄膜内，并进行热压成型；
4）对步骤3）热压成型后的边框进行检查，确保边框无褶皱、边框内无气孔；并对合格品进行修边；然后放置于氮气保护环境保存待用。
步骤1）中所述聚合物电解质膜为离子交换膜。
步骤2）中定位模具的材质为金属、PTFE或玻璃。
步骤2）中所述第一层边框厚度为30～300μm。
步骤2）中所述第二层边框厚度为30～300μm。
步骤3）中所述热压成型的条件为：温度100～130℃，压力为1～4Mpa。
所述边框由聚合物膜和胶层构成，其中聚合物膜为：聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醚砜、聚醚醚酮、聚苯硫醚、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚丙烯、双向拉伸聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、乙烯乙烯醇共聚物、全氟乙烯丙烯共聚物、聚酰胺、耐热聚酰胺或聚酰亚胺；所述胶层为：苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物、氯丁橡胶胶粘剂、天然橡胶型压敏胶粘剂、苯烯酸酯压敏胶黏剂、亚克力胶、有机硅压敏胶黏剂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、PVC为主体压敏胶黏剂、光固化型UV胶、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、尿醛树脂、丁基橡胶、三聚氰氨树脂、丁苯橡胶、聚异丁烯、聚异戊二烯、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯、聚酯或聚异丁烯。
所述聚合物膜厚度为20～200μm。
所述胶层厚度为10～100μm。
本发明提出了一种聚合物电解质膜电极的封边框工艺，优点在1）边框与聚合物膜的结合力强，结合强度大于聚合物膜的拉伸强度，在边框与聚合物电解质膜之间无气泡产生，密封一致性好；2）生产过程简单，生产占地少，设备投入少；3）成本低，封边框制备工艺主要使用模具进行，无需大型设备，投入少；4）产量高，封边框产量可达到1440片/天。另外，本发明还有助于提高膜电极性能和使用寿命等。本发明的工艺提高了聚合物电解质膜与边框的结合力，防止膜电极空白边缘在不同温湿度环境下溶胀、收缩变形，提高膜电极的稳定性，简化膜电极封边框生产过程，降低成本，并提高产量。
附图说明
图1为本发明中聚合物电解质膜电极的封边框工艺流程图.
实施例
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
用于电动汽车用质子交换膜燃料电池的膜电极制备。
按图1所示的流程图：
1）检查膜电极（膜电极的制备工艺详见专利CN201010285500.6）尺寸完整性，确保膜电极无针孔和破损，将膜电极合格品进行阴、阳极标示，并对标示后的膜电极进行边缘切割，使聚合物电解质膜空白边缘（未载有催化剂）能置入两层边框之间，置入深度为3mm。
2）将步骤1）外理的膜电极平铺在基板上，采用不锈钢模具对膜电极进行定位，确保催化层位于中心位置，将第一层边框（材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯膜+氯丁橡胶胶粘剂胶层，厚度为30μm）固定在膜电极一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，然后将第二层边框（材质为聚酰亚胺膜+天然橡胶型压敏胶粘剂胶层，厚度为40μm）固定在膜电极另一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，并确保两层边框层叠对应一致；
3）检查步骤2）中边框|膜电极|边框三合一状态是否合格，确保边框|膜电极|边框三合一之间无聚合物电解质膜卷曲或存在杂物等；
4）将步骤3）合格的边框|膜电极|边框三合一组件置入两层金属薄膜内，并在100℃、4Mpa下进行热压成型；
5）检查步骤4）热压成型后的边框是否合格，确保边框无褶皱、边框内无气孔等；并对合格品进行修边；
6）将步骤5）中的膜电极放置于氮气保护环境中，并装箱待用。
实施例2
用于直接甲醇燃料电池
按图1所示的流程图：
1）检查膜电极（膜电极的制备工艺详见专利CN201010285500.6）尺寸完整性，确保膜电极无针孔和破损，将膜电极合格品进行阴、阳极标示，并对标示后的膜电极进行边缘切割，使聚合物电解质膜空白边缘能置入两层边框之间，置入深度为4mm。
2）将步骤1）外理的膜电极平铺在基板上，采用PTFE模具对膜电极进行定位，确保催化层位于中心位置，将第一层边框（材质为聚萘二甲酸乙二醇酯膜+苯烯酸酯压敏胶黏剂胶层，厚度为150μm）固定在膜电极一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，然后将第二层边框（材质为聚酰胺膜+有机硅压敏胶黏剂胶层，厚度为150μm）固定在膜电极另一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，并确保两层边框层叠对应一致；
3）检查步骤2）中边框|膜电极|边框三合一状态是否合格，确保边框|膜电极|边框三合一之间无聚合物电解质膜卷曲或存在杂物等；
4）将步骤3）合格的边框|膜电极|边框三合一组件置入两层金属薄膜内，并在130℃、1Mpa下进热压成型；
5）检查步骤4）热压成型后的边框是否合格，确保边框无褶皱、边框内无气孔等；并对合格品进行修边；
6）将步骤5）中的膜电极放置于氮气保护环境中，并装箱待用。
实施例3
用于纯水电解制氢装置。
按图1所示的流程图：
1）检查膜电极（膜电极的制备工艺详见专利CN201010285500.6）尺寸完整性，确保膜电极无针孔和破损，将膜电极合格品进行阴、阳极标示，并对标示后的膜电极进行边缘切割，使聚合物电解质膜空白边缘能置入两层边框之间，置入深度为3mm。
2）将步骤1）外理的膜电极平铺在基板上，采用玻璃模具对膜电极进行定位，确保催化层位于中心位置，将第一层边框（材质为聚对苯二甲酸丁二醇酯膜+聚异丁烯胶层，厚度为100μm）固定在膜电极一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，然后将第二层边框（材质为聚醚醚亚胺膜+聚异戊二烯胶层，厚度为100μm）固定在膜电极另一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，并确保两层边框层叠对应一致；
3）检查步骤2）中边框|膜电极|边框三合一状态是否合格，确保边框|膜电极|边框三合一之间无聚合物电解质膜卷曲或存在杂物等；
4）将步骤3）合格的边框|膜电极|边框三合一组件置入两层金属薄膜内，并在120℃、3Mpa下进行热压成型；
5）检查步骤4）热压成型后的边框是否合格，确保边框无褶皱、边框内无气孔等；并对合格品进行修边；
6）将步骤5）中的膜电极放置于氮气保护环境中，并装箱待用。
Claims (9)
1.一种聚合物电解质膜电极的封边框工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1）确保膜电极尺寸完整性，无针孔和破损，将膜电极进行阴、阳极标示，并对标示后的膜电极进行边缘切割，使聚合物电解质膜空白边缘能置入两层边框之间，置入深度不少于3mm且不超过边框范围；
2）将步骤1）外理的膜电极平铺在基板上，采用模具对膜电极进行定位，确保催化层位于边框圈闭区域内部中心位置，将第一层边框固定在膜电极一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，然后将第二层边框固定在膜电极另一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，并确保两层边框层叠对应一致；
3）检查、确保步骤2）中边框|膜电极|边框三合一之间无聚合物电解质膜卷曲或存在杂物；将上述边框|膜电极|边框三合一组件置入两层金属薄膜内，并进行热压成型；
4）对步骤3）热压成型后的边框进行检查，确保边框无褶皱、边框内无气孔；并对合格品进行修边；然后放置于氮气保护环境保存待用。
2.根据权利要求1所述的封边框工艺，其特征在于，步骤1）中所述聚合物电解质膜为离子交换膜。
3.根据权利要求1所述的封边框工艺，其特征在于，步骤2）中定位模具的材质为金属、PTFE或玻璃。
4.根据权利要求1所述的封边框工艺，其特征在于，步骤2）中所述第一层边框厚度为30～300μm。
5.根据权利要求1所述的封边框工艺，其特征在于，步骤2）中所述第二层边框厚度为30～300μm。
6.根据权利要求1所述的封边框工艺，其特征在于，步骤3）中所述热压成型的条件为：温度100～130℃，压力为1～4Mpa。
7.根据权利要求1所述的封边框工艺，其特征在于，所述边框由聚合物膜和胶层构成，其中聚合物膜为：聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醚砜、聚醚醚酮、聚苯硫醚、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚丙烯、双向拉伸聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、乙烯乙烯醇共聚物、全氟乙烯丙烯共聚物、聚酰胺、耐热聚酰胺或聚酰亚胺；所述胶层为：苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物、氯丁橡胶胶粘剂、天然橡胶型压敏胶粘剂、苯烯酸酯压敏胶黏剂、亚克力胶、有机硅压敏胶黏剂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、PVC为主体压敏胶黏剂、光固化型UV胶、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、尿醛树脂、丁基橡胶、三聚氰氨树脂、丁苯橡胶、聚异丁烯、聚异戊二烯、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯、聚酯或聚异丁烯。
8.根据权利要求7所述的封边框工艺，其特征在于，所述聚合物膜厚度为20～200μm。
9.根据权利要求7所述的封边框工艺，其特征在于，所述胶层厚度为10～100μm。
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