CN110867600B - 注塑膜电极mea及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种注塑膜电极MEA及其加工方法，其中MEA包括碳纸、质子交换膜以及催化剂；所述质子交换膜设置在2个所述碳纸之间；所述催化剂设置在质子交换膜与碳纸之间；所述质子交换膜是由待加工质子交换膜修剪得到的；所述待加工质子交换膜的尺寸大于加工完成后的所述注塑膜电极MEA的尺寸。本发明能够解决MEA通气时气体不通过质子膜直接从一侧碳纸截面窜气到另一侧面碳纸的问题、能解决质子膜伸出碳纸部分在注塑型腔中因没有固定而导致浇注时出现缺陷等问题、能优化工业生产中生产工艺和工序节拍、能解决脱泡后，在浇注环节吸入空气造成固化后出现气泡等问题。

Description

注塑膜电极MEA及其加工方法
技术领域
本发明涉及注塑膜电极技术领域，具体地，涉及注塑膜电极MEA加工设备和方法。
背景技术
对于MEA的制备，目前通常做法是将碳纸、催化剂和质子膜复合在一起，再裁剪出需要的大小，放在注塑模中注塑外边框。
如专利文献CN101523647B公开的一种使固体高分子型燃料电池中的密封的可靠性、机械强度及操作性提高的膜电极装配体。本发明的膜电极装配体包括在高分子电解质膜的两面设置电极层及气体扩散层而成的膜电极接合体，以及以包围电解质膜的外周缘的全部以及气体扩散层的外周缘的至少该电解质膜侧的部分的形态设置的树脂框架。一面侧的气体扩散层及电极层以残留有电解质膜的表面区域的形态配置于电解质膜的表面上。反面侧的气体扩散层与在电解质膜的整个外周缘的范围内延伸。树脂框架固定于该表面区域的至少一部分。
这样做相对简单方便，但经测试发现缺陷非常明显：有相当比例的MEA在测试时出现，漏气现象，而造成MEA报废。通过分析发现造成这种现象的原因是因为胶体与碳纸及质子膜截面部位结合面相对较小，结合出现不是很牢固现象。这样气体会通过碳纸的截面绕过质子膜边缘，再通过另一层碳纸截面，造成窜气。根据现在的做法而做出的改良是将质子膜的边缘超出碳纸的边缘一定距离，在注塑过程中让硅胶将质子膜和碳纸边缘均完全密封，从而使两层碳纸完全隔离，这样就能很好的解决窜气的问题。但同时会引起另一个问题是：因为质子膜非常薄，质地软，从而在注塑过程中超出碳纸的质子膜容易被胶挤到碳纸边缘或被硅胶挤到硅胶表面，这样同样会造成注塑的MEA出现报废。
本发明针对超出碳纸的质子膜边缘固定做了很好的工艺改进，以达到制作效果：对质子膜边缘的采用梯形齿状的结构。能彻底解决超出碳纸边缘的质子膜固定的问题，保证了胶体和质子膜的结合及膜电极边缘胶体自身的结合。从而解决MEA漏气问题
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种注塑膜电极MEA及其加工方法。
根据本发明提供的一种注塑膜电极MEA，包括碳纸、质子交换膜以及催化剂；
所述质子交换膜设置在2个所述碳纸之间；所述催化剂设置在质子交换膜与碳纸之间；
所述质子交换膜是由待加工质子交换膜修剪得到的；
所述待加工质子交换膜的尺寸大于加工完成后的所述注塑膜电极MEA的尺寸。
优选地，所述待加工质子交换膜包括凸出结构；设定数量的所述凸出结构构成所述待加工质子交换膜尺寸超出加工完成后的所述注塑膜电极MEA的尺寸的部分。
优选地，所述凸出结构包括梯形锯齿结构，且所述梯形锯齿结构中梯形的内侧底的长度大于外侧底的长度。
优选地，加工完成前，所述注塑膜电极MEA的各个部分满足如下条件：
所述待加工质子交换膜有效工作区外边沿被硅胶覆盖；
所述碳纸和所述质子交换膜的断口被硅胶覆盖；
所述待加工质子交换膜的断口和两层碳纸的断口为错层，待加工质子交换膜断口伸出碳纸断口，即待加工质子交换膜将两层碳纸完全隔开。
优选地，电堆装配时压制MEA用的边框两侧均设置有封闭性的凸起。
优选地，所述电堆装配时压制MEA用的边框尺寸对应于待加工质子交换膜有效工作区外边沿；制造过程中模具合模时，所述压制MEA用的边框夹紧待加工质子交换膜有效工作区外边沿。
根据本发明提供的一种注塑膜电极MEA，括碳纸、质子交换膜以及催化剂；
所述质子交换膜设置在2个所述碳纸之间；所述催化剂设置在质子交换膜与碳纸之间；
所述质子交换膜是由待加工质子交换膜修剪得到的；
所述待加工质子交换膜的尺寸大于加工完成后的所述注塑膜电极MEA的尺寸；
所述待加工质子交换膜包括凸出结构；设定数量的所述凸出结构构成所述待加工质子交换膜尺寸超出加工完成后的所述注塑膜电极MEA的尺寸的部分；
所述凸出结构包括梯形锯齿结构，且所述梯形锯齿结构中梯形的内侧底的长度大于外侧底的长度；
加工完成前，所述注塑膜电极MEA的各个部分满足如下条件：
所述待加工质子交换膜有效工作区外边沿被硅胶覆盖；
所述碳纸和所述质子交换膜的断口被硅胶覆盖；
所述待加工质子交换膜的断口和两层碳纸的断口为错层，待加工质子交换膜断口伸出碳纸断口，即待加工质子交换膜将两层碳纸完全隔开；
压制MEA用的边框两侧均设置有封闭性的凸起；
所述压制MEA用的边框尺寸对应于待加工质子交换膜有效工作区外边沿；制造过程中模具合模时，所述压制MEA用的边框夹紧待加工质子交换膜有效工作区外边沿。
根据本发明提供的一种注塑膜电极MEA加工方法，能够制备得到上述的注塑膜电极MEA，包括如下步骤：
步骤A、装配模具：
a1、按产品设计质子膜功能区尺寸要求后，边缘外扩一定尺寸(外扩部分不需要涂催化剂等)。外扩部分切出多个梯形孔，如图(1)所示；
a2、将两面覆有催化剂和碳纸的质子膜放置与MEA边框注塑模具中，质子膜外扩部分平摊在下模上，再合模，让上模压紧外扩质子膜；
步骤B、配胶：
b1、注塑用的胶体采用含有两个或两个以上的乙烯基的聚二有机基硅氧烷，分A、B组份，其中A组份含有机铂触媒，B组份含氢硅油。充分搅拌均匀后(常温下约30分钟开始出现明显固化现象)；
b2、搅拌后脱泡处理；
b3、取一定量准备浇注，取后需再次脱泡，这一步是注塑后没有气泡的一个关键步骤；
步骤C、浇注：
c1、将整个浇注系统至于真空中或对型腔进行真空负压处理；
c2、开始注塑让型腔充满；
步骤D、固化：
型腔充满后，进行固化；
步骤E、开模：
固化结束后打开模具，取出MEA；
步骤F、修剪：
修剪去多余的质子膜和浇口、冒口及飞边。
优选地，固化温度范围为80-100℃；固化时间范围为5-10分钟
优选地：
加工过程中的相对湿度范围为40-50％；
脱泡后，取料注塑前，对所取的料要进行二次脱泡；
注塑前对型腔进行真空或负压处理。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)解决MEA气从碳纸截面窜气的问题。
2)能解决质子膜凸出碳纸部分，在注塑型腔中因不固定而导致浇注不足等问题。
3)能优化工业生产中生产工艺和工序节拍。
4)解决脱泡后，在浇注环节吸入空气造成固化后出现气泡等问题。
5)本工艺还可以一模多穴，一次可以注塑多个。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的注塑膜电极MEA优选例的透视示意图；
图2为本发明提供的注塑膜电极MEA优选例的截面示意图；
图3为本发明提供的注塑膜电极MEA优选例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种注塑膜电极MEA，括碳纸、质子交换膜以及催化剂；碳纸是膜电极MEA的组成部分，具有导电的作用，其主要作用在于：
1、支撑催化层；
2、反应气体需经过碳纸碳纸扩散层达到催化层参与电化学反应；
3、收集燃料的电化学氧化产生的电流；
4、导热。
所述质子交换膜设置在2个所述碳纸之间；所述催化剂设置在质子交换膜与碳纸之间；催化剂是一般是薄薄的一层涂在质子膜和碳纸的接触面上。
所述质子交换膜是由待加工质子交换膜修剪得到的；
所述待加工质子交换膜的尺寸大于加工完成后的所述注塑膜电极MEA的尺寸；
所述待加工质子交换膜包括凸出结构；设定数量的所述凸出结构构成所述待加工质子交换膜尺寸超出加工完成后的所述注塑膜电极MEA的尺寸的部分；
所述凸出结构包括梯形锯齿结构，且所述梯形锯齿结构中梯形的内侧底的长度大于外侧底的长度；
加工完成前，所述注塑膜电极MEA的各个部分满足如下条件：
所述待加工质子交换膜有效工作区外边沿被硅胶覆盖；
所述碳纸和所述质子交换膜的断口被硅胶覆盖；
所述待加工质子交换膜的断口和两层碳纸的断口为错层，待加工质子交换膜断口伸出碳纸断口，即待加工质子交换膜将两层碳纸完全隔开；
压制MEA用的边框两侧均设置有封闭性的凸起；见图1、图2的环形凸台，在截面上看是一个凸台，在表面看是环形的一圈凸起。
所述压制MEA用的边框尺寸对应于待加工质子交换膜有效工作区外边沿；制造过程中模具合模时，所述压制MEA用的边框夹紧待加工质子交换膜有效工作区外边沿。
根据本发明提供的一种注塑膜电极MEA加工方法，能够制备得到上述的注塑膜电极MEA，包括如下步骤：
步骤A、装配模具：
a1、按产品设计质子膜功能区尺寸要求后，边缘外扩一定尺寸(外扩部分不需要涂催化剂等)。外扩部分切出多个梯形孔，如图(1)所示；
a2、将两面覆有催化剂和碳纸的质子膜放置与MEA边框注塑模具中，质子膜外扩部分平摊在下模上，再合模，让上模压紧外扩质子膜；
步骤B、配胶：
b1、注塑用的胶体采用A、B组份按1：1比例配比，充分搅拌均匀后(常温下约30 分钟开始出现明显固化现象)；
b2、搅拌后脱泡处理；
b3、取一定量准备浇注，取后需再次脱泡(这一步是注塑后没有气泡的一个关键步骤)；
步骤C、浇注：
c1、将整个浇注系统至于真空中或对型腔进行真空负压处理；
c2、开始注塑让型腔充满；
步骤D、固化：
型腔充满后，进行固化；
步骤E、开模：
固化结束后打开模具，取出MEA；
步骤F、修剪：
修剪去多余的质子膜和浇口、冒口及飞边。
优选地，固化温度范围为80-100℃；固化时间范围为5-10分钟
优选地：
加工过程中的相对湿度范围为40-50％；
脱泡后，取料注塑前，对所取的料要进行二次脱泡；
注塑前对型腔进行真空或负压处理。
进一步地，本发明提供了一种燃料电池膜电极(MEA)边框采用注塑工艺制作完成。目前国内MEA的边框基本都是采用两层PET或PEN等材料，压在质子膜两面，再采用两层之间涂胶，在一定温度下热压完成。采用目前常规工艺，其缺点比较明显，主要以下几点：1、每层均一胶粘接，使用再一定温度和时间后有开裂的风险和复合过程中容易层间容易产生气泡；2、涂胶厚度均匀性要求高，否则MEA的边框厚度不均匀；3、边框的内边缘质子膜接触处由于应力作用或微小毛刺或粘结胶的硬化都易使质子膜破裂，造成MEA直接报废甚至对电堆使用性能产生很大影响；4、制作工序复杂，不易实现自动化批量生产；5、由于边框较硬，在电堆组装时MEA和极板组合时，每层之间都需加密封圈(一般是把密封圈固定在极板上)。基于目前常规工艺存在的缺点，本发明采用MEA 的边框直接采用注塑工艺，将MEA的质子膜(带有催化层)和碳纸的边缘直接包覆在胶体边框中间。这样上述的缺点均可排除。发明人在实验测试发现MEA边框注塑工艺：在碳纸、质子膜大小相同时会出现部分有MEA窜气现象；为了解决该现象，将质子膜边缘超出碳纸，又出现了受伸出的质子膜边缘的影响，在注塑过程中出现浇注不足现象。本发明主要针对上述情况的工艺解决及解决浇注过程中出现气泡等现象的工艺发明。
质子膜的梯形切边去料部分靠近碳纸的边缘，四周超出碳纸边缘约1毫米，且宽度方向尺寸相对保留的质子膜部分尺寸较小，这样有利于牵平质子膜且降低超出碳纸的质子膜在注塑过程中出现跑偏。质子膜外边缘部分，要超出MEA的外围尺寸约2-3毫米，在注塑合模时，上下模具压住质子膜超出部分。在模具压住的线上，有膜的宽度小于无膜的宽度，这样有利于MEA外边缘结合。取模后，修剪多余的质子膜。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种注塑膜电极MEA，其特征在于，包括碳纸、质子交换膜以及催化剂；
所述质子交换膜设置在2个所述碳纸之间；所述催化剂设置在质子交换膜与碳纸之间；
所述质子交换膜是由待加工质子交换膜修剪得到的；
所述待加工质子交换膜的尺寸大于加工完成后的所述注塑膜电极MEA的尺寸；
所述待加工质子交换膜包括凸出结构；设定数量的所述凸出结构构成所述待加工质子交换膜尺寸超出加工完成后的所述注塑膜电极MEA的尺寸的部分；
所述凸出结构包括梯形锯齿结构，且所述梯形锯齿结构中梯形的内侧底的长度大于外侧底的长度。
2.根据权利要求1所述的注塑膜电极MEA，其特征在于，加工完成前，所述注塑膜电极MEA的各个部分满足如下条件：
所述待加工质子交换膜有效工作区外边沿被硅胶覆盖；
所述碳纸和所述质子交换膜的断口被硅胶覆盖；
所述待加工质子交换膜的断口和两层碳纸的断口为错层，待加工质子交换膜断口伸出碳纸断口，即待加工质子交换膜将两层碳纸完全隔开。
3.根据权利要求2所述的注塑膜电极MEA，其特征在于，压制MEA用的边框两侧均设置有封闭性的凸起。
4.根据权利要求3所述的注塑膜电极MEA，其特征在于，所述压制MEA用的边框尺寸对应于待加工质子交换膜有效工作区外边沿；制造过程中模具合模时，所述压制MEA用的边框夹紧待加工质子交换膜有效工作区外边沿。
5.一种注塑膜电极MEA加工方法，其特征在于，能够制备得到权利要求1至4中任一项所述的注塑膜电极MEA，包括如下步骤：
步骤A、装配模具：
a1、按产品设计质子膜功能区尺寸要求后，边缘外扩一定尺寸，外扩部分不需要涂催化剂，外扩部分切出多个梯形孔；
a2、将两面覆有催化剂和碳纸的质子膜放置与MEA边框注塑模具中，质子膜外扩部分平摊在下模上，再合模，让上模压紧质子膜外扩部分；
步骤B、配胶：
b1、注塑用的胶体采用含有两个或两个以上的乙烯基的聚二有机基硅氧烷，分A、B组份，其中A组份含有机铂触媒，B组份含氢硅油；充分搅拌均匀后，常温下30分钟开始出现明显固化现象；
b2、搅拌后脱泡处理；
b3、取一定量准备浇注，取后需再次脱泡，这一步是注塑后没有气泡的一个关键步骤；
步骤C、浇注：
c1、将整个浇注系统至于真空中或对型腔进行真空负压处理；
c2、开始注塑让型腔充满；
步骤D、固化：
型腔充满后，进行固化；
步骤E、开模：
固化结束后打开模具，取出MEA；
步骤F、修剪：
修剪去多余的质子膜和浇口、冒口及飞边。
6.根据权利要求5所述的注塑膜电极MEA加工方法，其特征在于，固化温度范围为80-100℃；固化时间范围为5-10分钟。
7.根据权利要求5所述的注塑膜电极MEA加工方法，其特征在于：
加工过程中的相对湿度范围为40-50％；
脱泡后，取料注塑前，对所取的料要进行二次脱泡；
注塑前对型腔进行真空或负压处理。
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