CN111313052B - 一种燃料电池膜电极保护膜与气体扩散电极的结合方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池膜电极保护膜与气体扩散电极的结合方法，使得该种燃料电池膜电极气体扩散电极与保护膜结合牢固，解决了该种燃料电池膜电极气体扩散电极在后端操作容易脱落的问题，且与涂胶法相比结合影响区小，高效易控制，极大的提高了膜电极的后端可操作性。

Description

一种燃料电池膜电极保护膜与气体扩散电极的结合方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地，设计一种燃料电池膜电极保护膜与气体扩散电极的结合方法。

背景技术

燃料电池是一种可以将储存在H₂、O₂中的化学能直接转化成电能的能量转化装置。其转化过程不受卡诺循环过程限制，因此具有很高的能量转化效率。另外，燃料电池还具有工作无噪声、无振动、排放清洁、环境友好、可模块化布置的特点，使得燃料电池技术在新能源汽车及分布式电站等领域有具有广阔的应用前景。燃料电池膜电极是发生电化学反应的核心区域之一。

燃料电池膜电极由质子交换膜、气体扩散电极以及保护膜5层结构共同构成。其中保护膜用于保护质子交换膜，防止其受到密封压力时碎裂等，气体扩散电极置于保护膜与质子交换膜外层。

目前的气体扩散电极与保护膜之间依靠气体扩散电极与质子交换膜之间的张力进行固定。在电堆装配时极易产生电极脱落现象，造成膜电极损坏甚至报废，导致经济浪费，影响电堆装配效率，直接影响燃料电池产业化进程。一些膜电极使用胶水来粘接气体扩散电极与保护膜，使其结合，防止气体扩散电极脱落，但是胶水无法控制其形态，容易导致电极污染等。

基于此，本发明提出一种基于表面带有焊料的保护膜的气体扩散电极与保护膜的结合方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池气体扩散电极与保护膜的结合方法，以表面带焊料的保护膜，与任意气体扩散电极，通过激光焊接的方式结合到一起，结合强度满足电堆组装要求。

一种燃料电池气体扩散电极与保护膜结合方法，包括以下步骤：

1)选择燃料电池保护膜，一般选择厚度为20-200μm(优选的厚度为30-120μm)，对于优选厚度的保护膜，其支撑膜厚度一般为10-190μm(优选的厚度为10-100μm)，其焊料层厚度一般为5-50μm(优选的厚度为5-20μm)；；

2)确认保护膜焊料层材料，查材料手册获得其密度ρ，熔化温度T以及比热容C；

3)确认所述表面带焊料的保护膜支撑膜材料及颜色，通过实验测定或根据材料手册查得其激光透过率α可；确认焊料层材料以及与其焊接的气体扩散电极材料机颜色，可根据经验确定其激光激光吸收率η范围，计算η值两极限值的平均值；

4)将预结合的保护膜与气体扩散电极按要求上下堆叠，置于激光焊接工作平台上。靠工作平台上的玻璃等透光板将其固定，并施以一定压力F。压力从0MPa开始逐渐增大，以增量为0.1-0.2MPa进行条件实验，直到气体扩散电极出现压碎裂纹为止，记录该条件下的压力值，设置该压力值的0.8倍为压力F的上限值。

5)设定保护膜与气体扩散电极的结合轨迹为激光运行轨迹。按焊接宽度的70％-90％选择激光光斑直径，对于薄膜类焊接，选择激光功率为60-100W，通过公式(1)可以计算在不同功率下的激光运行速率v，激光光斑直径选择为80％的焊接宽度。

αηP/dv＝C·(T-T₀)ρπt/4 (1)

其中α——所述保护膜支撑膜的激光透过率；

η——待焊材料的激光吸收率；

P——所选激光器的额定功率，W；

d——激光光斑直径，mm；

v——激光的运行速率，mm/s；

ρ——所述保护膜焊料层材料密度，g/cm³；

t——所述保护膜焊料层厚度，mm；

C——所述保护膜焊料材料的比热容，J/g·℃；

T——所述保护膜焊料材料的熔化温度，℃；

T₀——室温，一般取20℃；

6)压力F下限值由焊料的粘度与浸润性决定，任取步骤5)的激光功率和运行速率和光斑大小，从F＝0N，以一定间隔进行条件实验，直至保护膜与气体扩散电极结合强度达到0.1N/cm-0.15N/cm中间任意值时，设定该值为F的下限值。

7)针对1)-6)所述的激光功率P，激光运行速率v，光斑直径d，压力F以结合力最大为目标设计正交试验。其中压力F取值为包括两极限值及两极限值平均值的3个以上等距分布的值，光斑直径d的取值为两极限值及，激光功率P的取值为优选激光功率的两极限值及两极限值平均值的3个以上等距分布的值，激光运行速率v的取值按公式(1)计算的再不同激光功率下的激光运行速率。

最终通过极差分析法(见《优化试验设计方法及数据分析》，化学工业出版社，2012.2第一章1.3)，选取各因素所选水平的最优参数。

8)按所需搭接宽度与长度，在优化的压力F、激光功率W、激光运行速度v、光斑直径d参数下进行结合强度最优条件的焊接。

该方法使得该种燃料电池膜电极气体扩散电极与保护膜结合牢固，解决了该种燃料电池膜电极气体扩散电极在后端操作容易脱落的问题，且与涂胶法相比结合影响区小，高效易控制，极大的提高了膜电极的后端可操作性。

附图说明

图1为所述燃料电池膜电极的保护膜与气体扩散电极的结合结构示意图。

其中，1保护膜；2气体扩散电极，3结合区域。

具体实施方式

为使本发明专利实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。

本发明基于杜邦聚酰亚胺膜作为保护膜，采用激光焊接作为手段，对燃料电池的气体扩散电极与保护膜进行结合，以获得气体扩散电极与保护膜结合牢固的燃料电池膜电极。其中气体扩散电极为正方形，外形尺寸为60×60mm，保护膜为中空的方环，其外框尺寸为80×80mm，内框尺寸为54×54mm。堆叠时气体扩散电极的对角中心与保护膜的对角中心对齐，形成3mm宽的环状焊接区域。

本发明的燃料电池膜电极保护膜与气体扩散电极的结合方法，包括以下步骤：

1)选择燃料电池保护膜，一般选择厚度为100μm，其支撑膜厚度为60μm，其焊料层厚度为20μm；

2)确认保护膜焊料层材料为PTFE，查材料手册获得其密度ρ＝2.14g/cm3，熔化温度T＝300℃，比热容C＝0.33J/kg·℃；

3)确认所述表面带焊料的保护膜支撑膜聚酰亚胺，通过实验测定或根据材料手册查得其激光透过率α＝50％；焊料层材料为PTFE，气体扩散电极表面为黑色，可根据经验确定其激光激光吸收率η为55％-65％，计算η值两极限值的平均值为60％；

4)将预结合的保护膜与气体扩散电极按要求上下堆叠，置于激光焊接工作平台上。靠工作平台上的玻璃等透光板将其固定，并施以一定压力F。压力从0MPa开始逐渐增大，以增量为0.1-0.2MPa进行条件实验，当气体扩散电极出现压碎裂纹时，压力值为2.5MPa，其上限值为2MPa。

5)设定保护膜与气体扩散电极的结合轨迹为激光运行轨迹。焊接宽度取为1.5mm，则激光光斑直径选取范围为1.05mm-1.35mm，对于薄膜类焊接，选择激光功率为60-100W，通过公式(1)可以计算在不同功率下的激光运行速率v。v的取值范围为20-34mm/min。

6)任取步骤5)的激光功率和运行速率和光斑大小，从F＝0N，以一定间隔进行条件实验，直至保护膜与气体扩散电极结合强度达到0.12N/cm时，其压力值为1MPa。

基于此，以气体扩散层与保护膜结合强度为指标，设置正交试验因素及水平如表1所示。

表1因素水平表

因素	1	2	3	4
					名称	焊接压力F/MPa	激光功率P/W	运行速度v/mm/s	光斑直径d/mm
水平	1，2，3	1，2，3	1，2，3	1，2，3
					数值	1，1.5，2	60，80，100	20，27，34	1.05，1.2，1.35

试验采用三因素三水平L₉(3⁴)正交表进行试验设计，按照表所示的试验组合，在各水平下获得外框80mm(长)×30mm(宽)结合面积，用Instron型拉力测定仪测定封口强度，每个试验条件测试5次取平均值，获得结合强度见表2。

依据直观分析法可以获得优化F、P、v、d工艺条件分别为F＝2MPa，激光功率P＝100W，运行速度v＝20mm/s，光斑直径d＝1.2mm，此时通过实验验证在此工艺条件下保护膜与气体扩散电极的结合力加大，约为1.7N/cm。

作为对比，采用传统不结合方法、胶粘法及该专利所述结合法各制备所述膜电极20片，传统不结合方法制备膜电极后端气体扩散电极掉落率为60％，胶粘法制备膜电极后端气体扩散电极掉落率为0％，该专利所述结合法制备膜电极后端气体扩散电极掉落率为0％；同时，该工段耗时分别为：传统不结合方法为0s/片；胶粘法为15s/片；该专利所述结合方法为11s片。

综上所述，通过上述方法，使保护膜与气体扩散电极以较强结合力结合到一起。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种燃料电池膜电极保护膜与气体扩散电极的结合方法，其特征在于：

以表面带有焊料的，中部带通孔的环状的膜作为保护膜，与气体扩散电极，通过激光焊接的方式结合到一起；

该燃料电池膜电极选择的保护膜为表面带焊料的保护膜；其表面焊料为聚四氟乙烯（PTFE）、全氟乙烯丙烯共聚物（FEP）、可溶性聚四氟乙烯（PFA）中的一种或二种以上，该焊料在300℃-350℃下熔融，冷却后具有良好的粘接性，同时具有耐酸耐碱绝缘的特性；保护膜的支撑膜是聚酰亚胺（PI）、聚苯硫醚（PPS）中的一种或二种，耐热温度高于400℃，且具有良好的耐酸耐碱绝缘的特性；

该保护膜为带内孔的环状保护膜，其内孔面积对应为膜电极的有效放电面积；上述结合方法包括具体包括以下步骤：

1）燃料电池保护膜为匹配膜电极整体厚度，选择厚度为20-200μm，支撑膜厚度为10-190μm，其焊料层厚度为5-50μm；

2）所述表面带焊料的保护膜焊料层材料确定后，密度ρ，熔化温度T，比热容C即已确定；

3）所述表面带焊料的保护膜支撑膜材料及颜色确认后，其激光透过率α可通过实验测定或根据材料手册查得；当焊料层材料以及与其焊接的气体扩散电极材料及颜色确认后，其激光吸收率η范围即可确定，在下述计算中取固定η值为两极限值的平均值；

4）将预结合的保护膜与气体扩散电极按要求上下堆叠，置于激光焊接工作平台上；靠工作平台上的玻璃透光板将其固定，并施以一定压力F；该压力F上限值由气体扩散电极的抗压强度决定，压力从0MPa开始逐渐增大，以增量为0.1-0.2MPa进行条件实验，直到气体扩散电极出现压碎裂纹为止，记录该条件下的压力值，设置该压力值的0.8倍为压力F的上限值；

5）设定保护膜与气体扩散电极的结合轨迹为激光运行轨迹；所选激光光斑直径为焊接宽度的70%-90%，对于薄膜类材料焊接，激光功率选择在40-200w之间，通过公式（1）可以计算在不同功率下的激光运行速率v，其中计算时，激光光斑直径选择为80%的焊接宽度；

αηP/dv = C·（T-T₀）ρπt/4 （1）

其中α——所述保护膜支撑膜的激光透过率；

η——待焊材料的激光吸收率；

P——所选激光器的额定功率，W；

d——激光光斑直径，mm；

v——激光的运行速率，mm/s；

ρ——所述保护膜焊料层材料密度，g/cm³；

t——所述保护膜焊料层厚度，mm；

C——所述保护膜焊料材料的比热容，J/g·℃；

T——所述保护膜焊料材料的熔化温度，℃；

T₀——室温，取20℃；

6）压力F下限值由焊料的粘度与浸润性决定，任取步骤5）的激光功率和运行速率和光斑大小，压力从0MPa开始逐渐增大，以增量为0.1-0.2MPa进行条件实验，直至保护膜与气体扩散电极结合强度达到0.1N/cm-0.15N/cm中间任意值时，设定该值为F的下限值；

7）针对1）-6）所述的激光功率P，激光运行速率v，光斑直径d，压力F以结合力最大为目标设计正交试验；其中压力F取值为包括上下两极限值及两极限值平均值的3个以上等距分布的值，光斑直径d的取值为上下两极限值及两极限值平均值的3个以上等距分布的值，激光功率P的取值为激光功率的上下两极限值及两极限值平均值的3个以上等距分布的值，激光运行速率v的取值按公式（1）计算的在激光功率上下限时的激光运行速率，即为激光运行速率v的上下限值；

最终通过极差分析法，选取各因素所选水平的最优参数；

8）按所需搭接宽度与长度，在优化的压力F、激光功率W、激光运行速度v、光斑直径d参数下进行结合强度最优条件的焊接。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1）中燃料电池保护膜为匹配膜电极整体厚度，厚度为30-120μm，支撑膜厚度为10-100μm，其焊料层厚度为5-20μm；

步骤5）中，激光功率选择在60-100W。

3.按照权利要求1-2任一所述的方法，其特征在于：所述环状保护膜置于所述气体扩散电极的任意一侧，结合区域为环状保护膜内侧边缘至气体扩散电极的外侧边缘所形成的搭接环状区域。

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