CN111755726B - 一种膜电极的制备方法、膜电极及燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种膜电极的制备方法S1，先在第一边框膜的内框部分开设开口，再将所述第一边框膜和第二边框膜预贴合，得到预对贴边框膜；或者，先将第一边框膜和第二边框膜预贴合，再沿所述第一边框膜的内框部分开设开口，得到预对贴边框膜；所述开口沿所述第一边框膜的内框向所述第一边框膜的外框延伸；S2，沿所述开口揭开部分所述第一边框膜，将质子交换膜嵌入所述预对贴边框膜；S3，将所述质子交换膜和所述预对贴边框膜完整贴合，闭合所述开口，得到膜电极。相对于现有技术，本发明无需在质子交换膜的两面分别贴合两次边框膜，简化了膜电极的制备工艺，提高两边框膜的对位精度。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种膜电极的制备方法、膜电极及燃料电池。
背景技术
膜电极(MEA)，又称膜电极“三合一”或“五合一”组件，它是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件，是燃料电池内部能量转换的场所。膜电极承担燃料电池内的多相物质传输(包括液态水、氢气、氧气、质子和电子传输)，通过电化学反应，负责将燃料氢气的化学能转换成电能。膜电极的性能和成本影响甚至决定PEMFC的性能、寿命及成本。
目前，膜电极的制备方法包括有以下几种：1)将包括质子交换膜以及边框膜均制成片料，然后按照相应位置关系一层层贴合在一起，制成片式膜电极；2)以质子交换膜作为卷料支撑带，先在质子交换膜的两面制作催化剂层，然后再两面分别复合边框膜。无论使用哪种方法，都需要在膜电极的两面分别贴合边框膜，也就是说，边框膜的贴合至少要贴合两次，且受贴合工艺影响，两边框膜易出现对位偏差的情况。
有鉴于此，确有必要提供有一种膜电极的制备方法以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种膜电极的制备方法，无需分别贴合两次边框膜，简化了制备工艺，提高两边框膜的对位精度。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种膜电极的制备方法，包括以下步骤：
S1，先在第一边框膜的内框部分开设开口，再将所述第一边框膜和第二边框膜预贴合，得到预对贴边框膜；或者，先将第一边框膜和第二边框膜预贴合，再在所述第一边框膜的内框部分开设开口，得到预对贴边框膜；所述开口沿所述第一边框膜的内框向所述第一边框膜的外框延伸；
S2，沿所述开口揭开部分所述第一边框膜，将质子交换膜嵌入所述预对贴边框膜；
S3，将所述质子交换膜和所述预对贴边框膜完整贴合，闭合所述开口，得到膜电极。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，在S2中，所述质子交换膜的两面均复合有催化剂层，所述催化剂层和所述预对贴边框膜为部分重叠设置。催化剂层与边框膜有小部分重叠，如此对位使得催化剂层的边缘部位分别被边框膜包覆起来，对较为脆弱的催化剂层起到保护作用。除此之外，该结构还能避免质子交换膜发生氧化。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，在S2中，所述质子交换膜的两面均不复合催化剂层；在S3中，将所述质子交换膜和所述预对贴边框膜完整贴合后，再在所述质子交换膜的两面分别复合所述催化剂层。如此，催化剂层和预对贴边框膜的内边缘贴合且不重叠，因为催化剂层和预对贴边框膜重叠的部分实际上无法起到催化作用，如此设置可避免催化剂层的浪费。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，在S2中，所述质子交换膜的一面复合有第一催化剂层；在S3中，先将所述质子交换膜和所述预对贴边框膜完整贴合，再在所述质子交换膜的另一面复合第二催化剂层。如此设置，催化剂层和预对贴边框膜一面有部分重叠，一面不重叠，既能节约一部分无法起到催化效果的催化剂层，又能避免质子交换膜发生氧化。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述第一边框膜和所述第二边框膜预贴合的方法包括紫外照射、加热、加压或磁场处理中的任意一种。第一边框膜和第二边框膜预贴合的方法可选用本领域公知的任一种方法，优选为紫外照射、加热、加压或磁场处理中的任意一种。需要说明的是，在S1中，第一边框膜和第二边框膜预贴合时，预留质子交换膜的部分不贴合；在嵌入质子交换膜之后，再将预对贴边框膜和质子交换膜完整贴合。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，将所述质子交换膜和所述预对贴边框膜完整贴合的方法包括紫外照射、加热、加压或磁场处理中的任意一种。质子交换膜和预对贴边框膜完整贴合的方法可选用本领域公知的任一种方法，优选为紫外照射、加热、加压或磁场处理中的任意一种。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述开口沿所述内框对角线的反向延长线向外框延伸。开口可仅开设为四个，四个开口分别沿第一边内框对角线的反方向向外框延伸，沿开口掀开部分第一边框膜，便于嵌入质子交换膜或复合有催化剂层的质子交换膜。需要说明的是，开口的末端不能超过密封圈的密封区域，否则会影响密封效果。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述开口沿所述内框的反向延长线向所述外框延伸。开口的设置只需要便于揭开部分第一边框膜，能够嵌入质子交换膜或复合有催化剂层的质子交换膜即可。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述预对贴边框膜朝向所述质子交换膜的一面还设置有用于粘结所述质子交换膜的粘结剂。所述粘结剂包括压敏胶，紫外固化胶或热熔胶。压敏胶，包括但不限于溶剂型压敏胶、乳液型压敏胶、热熔型压敏胶和射线固化型压敏胶，对位后，平压或辊压即可粘接，实现与对贴边框边框膜的完整贴合与开口的闭合。紫外固化胶，是必须通过紫外线光照射才能固化的一类胶粘剂，对位后，用紫外线照射紫外固化胶的部分即可实现预对贴边框膜的完整贴合及开口的闭合。热熔胶为常温下不具备粘合作用的热塑性弹性体或EVA胶膜，对位后，热压贴合，热熔胶即可熔融粘结，实现预对贴边框膜的完整贴合及开口的闭合。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述质子交换膜包括全氟磺酸树脂质子交换膜、磺化聚苯基喹喔啉质子交换膜、磺化聚联苯酚质子交换膜、聚苯并咪唑质子交换膜、聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚砜质子交换膜、磺化聚醚砜质子交换膜或者沉积有全氟磺酸树脂的多孔PTFE复合质子交换膜。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述催化剂层包括第一催化剂层和第二催化剂层，所述第一催化剂层和所述第二催化剂层中均含有贵金属催化剂或碳载贵金属催化剂，其中，贵金属载量为0.01～1mg/cm2，贵金属为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种，或者贵金属为为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种与Co、Ni或Mn形成的二元以上合金，所述第一催化剂层和所述第二催化剂层的厚度为0.5～100μm。
作为本发明所述的膜电极的制备方法的一种改进，所述第一边框膜和所述第二边框膜包括PET膜、PE膜、PP膜、PI膜和PEN膜中的任意一种或者其中至少两种组成的复合膜，所述第一边框膜和所述第二边框膜的厚度为10～500μm。
本发明的目的之二在于：提供一种膜电极，采用本说明书前文任一段所述的制备方法制备而得。
本发明的目的之三在于：提供一种燃料电池，包括本说明书前文所述的膜电极。
相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供了一种膜电极的制备方法，包括以下步骤：S1，先在第一边框膜的内框部分开设开口，再将所述第一边框膜和第二边框膜预贴合，得到预对贴边框膜；或者，先将第一边框膜和第二边框膜预贴合，再沿所述第一边框膜的内框部分开设开口，得到预对贴边框膜；所述开口沿所述第一边框膜的内框向所述第一边框膜的外框延伸；S2，沿所述开口揭开部分所述第一边框膜，将质子交换膜嵌入所述预对贴边框膜；S3，将所述质子交换膜和所述预对贴边框膜完整贴合，闭合所述开口，得到膜电极。本发明先将两个边框膜预对贴，其中至少一个边框膜开设有可闭合的开口，在嵌入质子交换膜后再完整贴合并闭合开口，即可实现两个边框膜和质子交换膜的贴合。相对于现有技术，本发明无需在质子交换膜的两面分别贴合两次边框膜，简化了膜电极的制备工艺，提高了两边框膜对位的精度。
附图说明
图1是实施例1中膜电极的结构示意图。
图2是实施例1中膜电极的剖视图。
图3是实施例2中膜电极的结构示意图。
图4是实施例2中膜电极的剖视图。
其中：1-质子交换膜，2-催化剂层，21-第一催化剂层，22-第二催化剂层，31-第一边框膜，32-第二边框膜，4-开口，5-密封圈。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
如图1～2所示，本实施提供一种膜电极，其制备方法包括以下步骤：
S1，先在第一边框膜31的内框部分开设开口4，再将第一边框膜31和第二边框膜32预贴合，得到预对贴边框膜；开口4沿第一边框膜31的内框向第一边框膜31的外框延伸；
S2，沿开口4揭开部分第一边框膜31，将质子交换膜1嵌入预对贴边框膜；
S3，将质子交换膜1和预对贴边框膜完整贴合，闭合开口4，得到膜电极。
进一步的，在S2中，质子交换膜1的两面均不复合催化剂层2；在S3中，将质子交换膜1和预对贴边框膜完整贴合后，再在质子交换膜1的两面分别复合催化剂层2。如此，催化剂层2和预对贴边框膜的内边缘贴合且不重叠，因为催化剂层2和预对贴边框膜重叠的部分实际上无法起到催化作用，如此设置可避免催化剂层2的浪费。
进一步的，第一边框膜31和第二边框膜32预贴合的方法包括紫外照射、加热、加压或磁场处理中的任意一种。第一边框膜31和第二边框膜32预贴合的方法可选用本领域公知的任一种方法，优选为紫外照射、加热、加压或磁场处理中的任意一种。需要说明的是，在S1中，第一边框膜31和第二边框膜32预贴合时，预留质子交换膜1的部分不贴合；在嵌入质子交换膜1之后，再将预对贴边框膜和质子交换膜1完整贴合。
进一步的，将质子交换膜1和预对贴边框膜完整贴合的方法包括紫外照射、加热、加压或磁场处理中的任意一种。质子交换膜1和预对贴边框膜完整贴合的方法可选用本领域公知的任一种方法，优选为紫外照射、加热、加压或磁场处理中的任意一种。
进一步的，开口4沿内框对角线的反向延长线向外框延伸。开口4可仅开设为四个，四个开口4分别沿第一边内框对角线的反方向向外框延伸，沿开口4掀开部分第一边框膜31，便于嵌入质子交换膜1或复合有催化剂层2的质子交换膜1。需要说明的是，开口4的末端不能超过密封圈5的密封区域，否则会影响密封效果。
进一步的，质子交换膜1包括全氟磺酸树脂质子交换膜、磺化聚苯基喹喔啉质子交换膜、磺化聚联苯酚质子交换膜、聚苯并咪唑质子交换膜、聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚砜质子交换膜、磺化聚醚砜质子交换膜或者沉积有全氟磺酸树脂的多孔PTFE复合质子交换膜。
进一步的，催化剂层2包括第一催化剂层21和第二催化剂层22，第一催化剂层21和第二催化剂层22中均含有贵金属催化剂或碳载贵金属催化剂，其中，贵金属载量为0.01～1mg/cm2，贵金属为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种，或者贵金属为为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种与Co、Ni或Mn形成的二元以上合金，第一催化剂层21和第二催化剂层22的厚度为0.5～100μm。
进一步的，第一边框膜31和第二边框膜32包括但不限于PET膜、PE膜、PP膜、PI膜和PEN膜中的任意一种或者其中至少两种组成的复合膜，第一边框膜31和第二边框膜32的厚度为10～500μm。
实施例2
如图3～4所示，本实施例提供一种膜电极，其制备方法与实施例1不同的是，
在S1中，先将第一边框膜31和第二边框膜32预贴合，再在第一边框膜31的内框部分开设开口4，得到预对贴边框膜；
在S2中，质子交换膜1的两面均复合有催化剂层2，催化剂层2和预对贴边框膜为部分重叠设置。催化剂层2与边框膜有小部分重叠，如此对位使得催化剂层2的边缘部位分别被边框膜包覆起来，对较为脆弱的催化剂层2起到保护作用。除此之外，该结构还能避免质子交换膜1发生氧化。
进一步的，开口4沿内框的反向延长线向外框延伸。开口4的设置只需要便于揭开部分第一边框膜31，能够嵌入质子交换膜1或复合有催化剂层2的质子交换膜1即可。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例3
本实施例提供一种膜电极，其制备方法与实施例1不同的是，
在S2中，质子交换膜1的一面复合有第一催化剂层21；在S3中，先将质子交换膜1和预对贴边框膜完整贴合，再在质子交换膜1的另一面复合第二催化剂层22。如此设置，既能节约一部分无法起到催化效果的催化剂层2，又能避免质子交换膜1发生氧化。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例4
本实施例提供一种燃料电池，包括实施例1的膜电极、框架构件以及一对分隔件，框架构件包围膜电极，框架构件和膜电极被夹在分隔件之间。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (9)
1.一种膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，先在第一边框膜的内框部分开设开口，再将所述第一边框膜和第二边框膜预贴合，得到预对贴边框膜；或者，先将第一边框膜和第二边框膜预贴合，再在所述第一边框膜的内框部分开设开口，得到预对贴边框膜；所述开口沿所述第一边框膜的内框向所述第一边框膜的外框延伸；
S2，沿所述开口揭开部分所述第一边框膜，将质子交换膜嵌入所述预对贴边框膜，所述质子交换膜的两面均复合有催化剂层，所述催化剂层和所述预对贴边框膜为部分重叠设置；
S3，将所述质子交换膜和所述预对贴边框膜完整贴合，闭合所述开口，得到膜电极。
2.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述第一边框膜和所述第二边框膜预贴合的方法包括紫外照射、加热、加压或磁场处理中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，将所述质子交换膜和所述预对贴边框膜完整贴合的方法包括紫外照射、加热、加压或磁场处理中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述开口沿所述内框对角线的反向延长线向所述外框延伸。
5.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述第一边框膜和所述第二边框膜包括PET膜、PE膜、PP膜、PI膜和PEN膜中的任意一种或者其中至少两种组成的复合膜，所述第一边框膜和所述第二边框膜的厚度为10～500μm。
6.一种膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，先在第一边框膜的内框部分开设开口，再将所述第一边框膜和第二边框膜预贴合，得到预对贴边框膜；或者，先将第一边框膜和第二边框膜预贴合，再在所述第一边框膜的内框部分开设开口，得到预对贴边框膜；所述开口沿所述第一边框膜的内框向所述第一边框膜的外框延伸；
S2，沿所述开口揭开部分所述第一边框膜，将质子交换膜嵌入所述预对贴边框膜，所述质子交换膜的两面均不复合催化剂层；
S3，将所述质子交换膜和所述预对贴边框膜完整贴合，再在所述质子交换膜的两面分别复合所述催化剂层，闭合所述开口，得到膜电极。
7.一种膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，先在第一边框膜的内框部分开设开口，再将所述第一边框膜和第二边框膜预贴合，得到预对贴边框膜；或者，先将第一边框膜和第二边框膜预贴合，再在所述第一边框膜的内框部分开设开口，得到预对贴边框膜；所述开口沿所述第一边框膜的内框向所述第一边框膜的外框延伸；
S2，沿所述开口揭开部分所述第一边框膜，将质子交换膜嵌入所述预对贴边框膜，所述质子交换膜的一面复合有第一催化剂层；
S3，将所述质子交换膜和所述预对贴边框膜完整贴合，再在所述质子交换膜的另一面复合第二催化剂层，闭合所述开口，得到膜电极。
8.一种膜电极，其特征在于，采用权利要求1～7任一项所述的制备方法制备而得。
9.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求8所述的膜电极。
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