CN111509259A - 一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法 - Google Patents

一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，以硅胶粘合剂作为粘合剂，采用等离子体和/或底涂对所述电池极板表面进行处理形成一层高表面能的粘结面，该粘结面与硅胶粘合剂粘结。与现有技术相比，本发明具有耐高温、耐低温、耐介质、耐老化等优点。

Description

一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池极板表面处理，尤其是涉及一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法。
背景技术
随着经济高速发展，节能环保要求也更受重视，是国家可持续战略的重要环节；健康绿色出行备受关注，燃料电池汽车作为零排放的交通工具备受青睐。氢气作为燃料电池车的能量来源，安全成为第一要务。燃料电池电堆的内部部件之间的密封至关重要，双极板作为燃料电池的阴阳极电极，作为主要部件，起到收集、传递电能的作用，同时要求密封氢气与其他介质。双机板由阴、阳极单板组合而成，双极板与质子交换膜组合、与密封件匹配装配成为电池堆。
在生产工艺中需要将这些组件合成一体装配，为方便装配通常将双极板用胶黏剂粘结成一体，或将质子膜粘结到极板上，或将密封件粘结、注塑到极板密封槽中、或将两极板夹质子交换膜粘结成一体，不同公司采用不同的工艺将极板与质子交换膜组合成子单元。燃料电池属于新兴的行业，在国内发展时间不算长，各种工艺、零部件的生产等不够完善。在与极板粘接的工艺中会出现粘接不良的情况，主要因为极板表面因极板加工工艺导致极板表面接触角大表面能低与部分胶黏剂粘接较难。因燃料电池中的工况环境复杂，需要长时间耐高温、耐低温、耐防冻液、密封氢气，目前燃料电池的极板粘结密封性不能满足要求。现有工艺中出现极板与胶黏剂之间粘结不良的问题，粘结失效可能会氢气导致泄漏和影响电堆性能、寿命等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的耐高温、耐低温以及耐介质性能不佳缺陷而提供一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，以硅胶粘合剂作为粘合剂，采用等离子体和/或底涂对所述电池极板表面进行处理形成高表面能的粘结面，该粘结面与硅胶粘合剂粘结。
其中，粘结面表面含活性基团，例如-COOH、-OH或者-CO。
本发明采用硅胶粘合剂应用于燃料电池极板表面的粘合过程中，硅胶材料因耐高低温(-60℃～260℃)、耐介质，耐老化性能良好，含活性基团少，使用寿命长，环保无污染，在各行各业应用广泛，但在燃料电池的应用中较少，因为对于硅胶胶黏剂，胶体本身的表面能较低，不能够良好的润湿极板材料表面；本发明进一步采用等离子体和/或底涂对极板表面需要粘接的地方进行处理从而改善电池极板表面对硅胶粘合剂的粘结；通过等离子体表面处理，材料表面发生多种的物理、化学变化，引入含氧极性基团，使亲水性、粘结性、生物相容性及电性能分别得到改善；通过适配的底涂剂处理极板表面，在极板表面粘附或腐蚀形成新的高表面能的粘接面，底涂挥发无需清洗环保便捷，底涂剂挥发后再极板表面形成易于粘接的表面，一层硬硅胶薄膜，牢固的粘接在基材表面。
所述粘结面的表面能为40～72dyn/cm。
底涂处理的方法具体为：在所述电池极板表面上喷涂底涂剂，待底涂剂的溶剂挥发后再涂覆硅胶粘合剂。
所述底涂剂为以聚甲基硅氧烷为成膜剂的硅氧烷类底涂剂，该底涂剂的黏度为100mpa.s～2000mpa.s，底涂剂的喷涂厚度为0.1～1μm。
底涂剂的喷涂量控制在几微米以内最佳，喷涂量过多，底涂干燥后的厚度增加，会影响后续的硅胶粘合剂稳定粘结，因为底涂剂本身溶剂挥发后的固体物质形成的极薄的表面，残余的物质本体强度很低，喷涂量过多则形成厚度的层，胶水接触的不是极板表面，会影响后续的硅胶粘合剂稳定粘结，如果喷入量过少，则不能完全遮盖润湿极板的表面；底涂剂的溶剂可以调节底涂剂的黏度，底涂剂的黏度较低，底涂剂更容易均匀分散在双极板表面，提高硅胶薄膜的均匀性，但是黏度较低，成膜成分含量不够，无法与硅胶粘合剂稳定粘合，而如果底涂剂的黏度过高，不容易分散在双极板的表面，不容易喷涂形成均匀的底涂剂薄膜，不利于形成均匀的硅胶薄膜，也不利于与后续的硅胶粘合剂稳定粘合，因此采用本发明的黏度和喷涂厚度有利于硅胶粘合剂与双极板的稳定粘合。
底涂剂为硅氧烷类底涂剂，具体为含EP基、氨基、C＝C基等硅氧烷，以聚甲基硅氧烷为成膜剂的底涂剂，该底涂剂能够与被粘接界面发生化学反应生成易于粘接的新的表面。
所述底涂剂的成分包括溶剂和溶于溶剂的成膜成分，该成膜成分包括以下重量份含量的组分：正庚烷：75～90％；四已氧硅烷2～12％；醇盐2～12％；烷氧基硅烷0.5～4％，所述催化剂选自钛酸酯、铝化合物或铂配合物中的一种或几种；所述催化剂选自钛酸酯、铝化合物或铂配合物中的一种或几种。
因为底涂剂成分中的硅烷偶联剂两端的亲水或亲油基团可以改善填料与有机连续相得相容性。硅烷偶联剂(Y-R-Si(OR)3，式中Y为有机官能基，SiOR为硅烷氧基)中同时含有两种不同化学性质基团，其中Y非水解基团可以胶黏剂发生化学反应或形成氢键，从而与胶黏剂形成牢固结合；另一可水解基团-OR可与含石墨板材料相结合，由于这种特殊结构，硅烷偶联剂在两种不同材料界面起作用。有曾强胶黏剂与极板之间的亲和力作用，并可强化提高被粘接材料之间的粘接强度、抗老化及憎水性。
所述底涂剂的溶剂选自甲苯、二甲苯或乙酸乙酯中的一种或几种；该底涂剂的溶剂自然挥发10min～30min或在烘箱中40～60℃条件下烘烤5～10min。
本发明进一步优化了底涂剂的溶剂以及挥发过程的参数，溶剂需要自然或加热到完全挥发掉，如果溶剂没有完全挥发会影响后续的粘结效果。如果没有挥发完全，残留的溶剂会导致胶黏剂中毒不能固化，或不能形成高表面能的干燥界面。为了保证底涂剂能够完全挥发，本发明还进一步采用加热促进挥发，如果烘干温度过高，则会导致极板中的树脂分解，如果烘干温度过低，烘干的时间太短溶剂挥发不完全，均会影响后续粘结。
等离子体处理的方法具体为：将所述电池极板放置于等离子机的操作平台上，设置等离子机的喷头的路径使其沿着电池极板表面运行。
采用离子体处理使极板表面的微观分子结构发生改变，清洗表面油污并产生大量的活性基团易于与胶黏剂结合，不破坏基材并使粘接强度得到提升达到粘结良好的效果，等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，它是气体在放电过程中产生大量的正负带电粒子、电子和中性粒子以及自由基组成的表现出集体行为的一种准中性气体。通过对电极两端施加高压电，从而击穿放电。可产生大量活性粒子，如氧原子、OH自由基等等。产生的大量活性粒子可以与空气中的各类污染物产生反应。采用等离子表面处理处理胶结面工艺可以极大的提高粘接强度，降低成本，粘接质量稳定，产品一致性好。
所述喷头的运行速度为100～300mm/s，喷头与电池极板表面垂直距离为90～120mm，等离子机的功率设定为800～2000W，等离子机的介质气体选自空气、氮气、氦气、氩气或氧气。
等离子处理极板时需要设计特定的参数，在不伤害双极板的情况下，将使极板表面接触角到90度以下，经过等离子体处理后的双极板的表面能可达到72dyn/cm，经处理后的石墨板表面产生-COOH、-OH或者-CO基团能与一般的硅胶粘接良好，强度可达到胶体破坏程度，老化寿命也相对提高。如果喷头的运行速度过快无法充分处理表面达不到处理需要的效果；喷头太高，喷出的等离子体无法完全接触表面处理效果也很差；当时如果喷头的运行速度过低，与极板表面垂直距离过低，因喷头运转过程中产生振动与被处理界面碰撞导致故障。
所述电池极板为金属极板或石墨板。
石墨极板表面没有防腐涂层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)电池双极板采用硅胶粘合剂，提高了双极板在耐高温、耐低温、耐介质、耐老化的能力，并且硅胶粘合剂环保无污染。
(2)对双极板进行等离子体或者底涂处理，使得低表面能的硅胶可以很好的润湿极板表面，与极板稳定粘合。
(3)通过优化等离子体处理和底涂处理的参数，进一步提高了硅胶粘合剂与双极板的粘合稳定性。
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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，电池极板为金属极板，以硅胶粘合剂作为粘合剂，采底涂对电池极板表面进行处理形成一层高表面能的粘结面，该粘结面与硅胶粘合剂粘结，粘结面的表面张力为72dyn/cm。
底涂处理的方法具体为：在电池极板表面上喷涂底涂剂，待底涂剂的溶剂自然挥发20min后，即溶剂挥发完全后再涂覆硅胶粘合剂；底涂剂为以聚甲基硅氧烷为成膜剂的硅氧烷类底涂剂，该底涂剂的黏度为100mpa.s，底涂剂的喷涂厚度为0.1μm；底涂剂的成分包括溶剂和溶于溶剂的成膜成分，该成膜成分包括以下重量份含量的组分正庚烷：75％；四已氧硅烷2％；醇盐2％；烷氧基硅烷0.5％，催化剂选自铂配合物中的一种。底涂剂的溶剂为甲苯。
实施例2
一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，电池极板为石墨板，以硅胶粘合剂作为粘合剂，采底涂对电池极板表面进行处理形成一层高表面能的粘结面，该粘结面与硅胶粘合剂粘结，粘结面的表面张力72dyn/cm。
底涂处理的方法具体为：在电池极板表面上喷涂底涂剂，待底涂剂的溶剂自然挥发30min后，即溶剂挥发完全后再涂覆硅胶粘合剂；底涂剂为以聚甲基硅氧烷为成膜剂的硅氧烷类底涂剂，该底涂剂的黏度为2000mpa.s，底涂剂的喷涂厚度为1μm；底涂剂的成分包括溶剂和溶于溶剂的成膜成分，该成膜成分包括以下重量份含量的组分：正庚烷：80％；四已氧硅烷10％；醇盐12％；烷氧基硅烷4％，催化剂选自钛酸酯。底涂剂的溶剂为二甲苯。
实施例3
一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，电池极板为石墨板，以硅胶粘合剂作为粘合剂，采底涂对电池极板表面进行处理形成一层高表面能的粘结面，该粘结面与硅胶粘合剂粘结，粘结面的表面能为72dyn/cm。
底涂处理的方法具体为：在电池极板表面上喷涂底涂剂，待底涂剂的溶剂在烘箱中40℃条件下烘烤10min后，即溶剂挥发完全后再涂覆硅胶粘合剂；底涂剂为以聚甲基硅氧烷为成膜剂的硅氧烷类底涂剂，该底涂剂的黏度为500mpa.s，底涂剂的喷涂厚度为0.5μm；底涂剂的成分包括溶剂和溶于溶剂的成膜成分，该成膜成分包括以下重量份含量的组分：正庚烷：80％；四已氧硅烷12％；醇盐6％；烷氧基硅烷2％，催化剂选自铝化合物。底涂剂的溶剂为乙酸乙酯。
实施例4
一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，电池极板石墨板，以硅胶粘合剂作为粘合剂，采等离子体对电池极板表面进行处理形成一层高表面能的粘结面，该粘结面与硅胶粘合剂粘结，粘结面的表面能为72dyn/cm。
等离子体处理的方法具体为：将电池极板表面放置于等离子机的操作平台上，设置等离子机的喷头的路径使其沿着电池极板表面运行；喷头的运行速度为300mm/s，喷头与电池极板表面垂直距离为120mm，等离子机的功率设定为2000W，等离子机的介质气体选自空气。
实施例5
一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，电池极板为表面具有防腐蚀图层的石墨板，以硅胶粘合剂作为粘合剂，采等离子体对电池极板表面进行处理形成一层高表面能的粘结面，该粘结面与硅胶粘合剂粘结。
等离子体处理的方法具体为：将电池极板表面放置于等离子机的操作平台上，设置等离子机的喷头的路径使其沿着电池极板表面运行；喷头的运行速度为100mm/s，喷头与电池极板表面垂直距离为90mm，等离子机的功率设定为800W，等离子机的介质气体选自氧气。
实施例6
一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，电池极板为表面具有防腐蚀图层的石墨板，以硅胶粘合剂作为粘合剂，采等离子体和底涂先后对电池极板表面进行处理形成一层高表面能的粘结面，该粘结面与硅胶粘合剂粘结。通过两种方法复合处理，可以在底涂剂较薄的情况下，实现粘结牢固性，防止底涂剂形成的层状过后导致粘结不牢固。
等离子体处理的方法具体为：将电池极板表面放置于等离子机的操作平台上，设置等离子机的喷头的路径使其沿着电池极板表面运行；喷头的运行速度为100mm/s，喷头与电池极板表面垂直距离为90mm，等离子机的功率设定为1000W，等离子机的介质气体选自氧气。
底涂处理的方法具体为：在电池极板表面上喷涂底涂剂，待底涂剂采用烘箱60℃加热5分钟，即溶剂挥发完全后再涂覆硅胶粘合剂；底涂剂为以聚甲基硅氧烷为成膜剂的硅氧烷类底涂剂，该底涂剂的黏度为500mpa.s，底涂剂的喷涂厚度为0.1μm；底涂剂的成分包括溶剂和溶于溶剂的成膜成分，该成膜成分包括以下重量份含量的组分：正庚烷：85％；四已氧硅烷10％；醇盐4％；烷氧基硅烷1％，催化剂选自铂配合物。底涂剂的溶剂为乙酸乙酯。
实施例7
一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，电池极板为金属极板，以硅胶粘合剂作为粘合剂，采底涂对电池极板表面进行处理形成一层高表面能的粘结面，该粘结面与硅胶粘合剂粘结，粘结面的表面能为40dyn/cm。
底涂处理的方法具体为：在电池极板表面上喷涂底涂剂，待底涂剂的溶剂自然挥发10min后，即溶剂挥发完全后再涂覆硅胶粘合剂；底涂剂为以聚甲基硅氧烷为成膜剂的硅氧烷类底涂剂，该底涂剂的黏度为100mpa.s，底涂剂的喷涂厚度为0.1μm；底涂剂的成分包括溶剂和溶于溶剂的成膜成分，该成膜成分包括以下重量份含量的组分正庚烷：90％；四已氧硅烷12％；醇盐12％；烷氧基硅烷4％，催化剂选自铂配合物中的一种。底涂剂的溶剂为甲苯。
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形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，其特征在于，以硅胶粘合剂作为粘合剂，采用等离子体和/或底涂对所述电池极板表面进行处理形成高表面能的粘结面，该粘结面与硅胶粘合剂粘结。
2.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，其特征在于，所述粘结面的表面张力为40～72dyn/cm。
3.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，其特征在于，底涂处理的方法具体为：在所述电池极板表面上喷涂底涂剂，待底涂剂的溶剂挥发后再涂覆硅胶粘合剂。
4.根据权利要求3所述的一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，其特征在于，所述底涂剂为以聚甲基硅氧烷为成膜剂的硅氧烷类底涂剂，该底涂剂的黏度为100～2000mpa.s，底涂剂的喷涂厚度为几0.1～1μm。
5.根据权利要求3所述的一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，其特征在于，所述底涂剂的成分包括溶剂和溶于溶剂的成膜成分，该成膜成分包括以下重量份含量的组分：正庚烷：75～90％；四已氧硅烷2～12％；醇盐2～12％；烷氧基硅烷0.5～4％，所述催化剂选自钛酸酯、铝化合物或铂配合物中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，其特征在于，所述底涂剂的溶剂选自甲苯、二甲苯或乙酸乙酯中的一种或几种；该底涂剂的溶剂自然挥发20min～30min或在烘箱中40～60℃条件下烘烤5～10分钟。
7.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，其特征在于，等离子体处理的方法具体为：将所述电池极板表面放置于等离子机的操作平台上，设置等离子机的喷头的路径使其沿着电池极板表面运行。
8.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，其特征在于，所述喷头的运行速度为100～300mm/s，喷头与电池极板表面垂直距离为90～120mm，等离子机的功率设定为800～2000W，等离子机的介质气体选自空气、氮气、氦气、氩气或氧气。
9.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，其特征在于，所述电池极板为金属极板或石墨板。
10.根据权利要求9所述的一种提高燃料电池极板表面粘合剂稳定性的方法，其特征在于，所述电池极板的表面设有防腐蚀涂层。
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