CN112186216A - 封装方法和膜电极组件 - Google Patents

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黄鹏辉
蒋晓强
王亚军
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Abstract

本申请涉及燃料电池的技术领域，提出封装方法和膜电极组件，其中封装方法包括以下步骤：将质子交换膜裁剪；将催化剂膜裁剪，且裁剪后的面积小于所述质子交换膜的裁剪面积；将所述催化剂膜热压至所述质子交换膜以形成催化剂层，热压后所述质子交换膜的边缘留出未覆盖催化剂的留边区域；将有机高分子材料封装至所述留边区域并密封所述质子交换膜的边缘。本申请中采用有机高分子材料封装在质子交换膜的留边区域中，由于该部分没有催化剂层，封装后能有效的保证封装区域的完全气密性，从而避免了气体泄露。另外，由于有机高分子材料封装质子交换膜的边缘，能够保证了阴极与阳极绝对的电绝缘，杜绝阴极阳极间的短路。

Description

封装方法和膜电极组件
技术领域
本申请涉及燃料电池的技术领域，特别涉及一种膜电极的封装方法。
背景技术
燃料电池是一种电化学电池，其原理是将燃料和氧化剂中的化学能经氧化还原反应直接转化为电能。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为燃料电池领域的重要分枝，除了拥有燃料电池一般性特点如能量转换效率高、环境友好之外，还具有室温下启动速度快、体积小、无电解液损失、容易排水、寿命长、比功率和比能量高等突出优点。它不仅适用于分散式电站的建设，而且适用于移动供电。它是一种新型的军用和民用移动电源。因此，质子交换膜燃料电池具有非常广阔的应用前景。
膜电极组件(MEA)作为燃料电池的关键部件和核心模块，承载着将燃料氢中的化学能通过催化的电化学反应而转化成电能的任务。燃料电池膜电极组件(MEA)主要包含质子交换膜、催化剂、气体扩散层这三种核心材料，同时也包含一种密封材料。这种密封材料主要起到隔膜电极组件(MEA)阴阳极的电子通道，以及阻止阴阳极两侧的气体互通。现有的传统膜电极组件(MEA)的封装方法，主要分为注塑法与热压密封法；所谓注塑法是将做好的膜电极CCM裁切好，放置在对应的模具中然后使用液态有机高分子树脂或硅胶溶液等将膜电极CCM的边缘覆盖，等待溶液干燥后便形成了一层边缘密封层。热压密封法类似于传统的相片密封，采用带有胶水的有机高分子材料，先将膜电极CCM边缘覆盖，然后经过热压后实现膜电极CCM的边缘密封。
由于采用密封材料封装的膜电极CCM，其表面负载了以多孔碳作为载体的一种疏松的多孔结构的催化剂，虽然采用各种有机高分子材料将其密封，仍然无法避免燃料电池工作时，反应气体从多孔催化层结构的空隙中流动，造成阴、阳极气体互渗。换言之，密封材料封装而成的膜电极组件(MEA)依然具有漏气率较高的问题。
另外，由于质子交换膜厚度很薄，只有约15um左右，传统裁切容易出现不完全，使得封装后阴极催化层和阳极催化层可能触碰，导致阴阳极短路。
发明内容
本申请旨在解决现有技术中封装的膜电极组件具有漏气率较高、可能短路的问题。
为此，本申请提出封装方法，包括以下步骤：
将质子交换膜裁剪；将催化剂膜裁剪，且裁剪后的面积小于所述质子交换膜的裁剪面积；将所述催化剂膜热压至所述质子交换膜以形成催化剂层，热压后所述质子交换膜的边缘留出未覆盖催化剂的留边区域；将有机高分子材料封装至所述留边区域并密封所述质子交换膜的边缘。
进一步地，所述质子交换膜裁剪后的形状为矩形，所述催化剂膜对应为矩形，且所述质子交换膜的长和宽均大于所述催化剂膜的长和宽。
进一步地，所述催化剂膜包括阳极膜和阴极膜，分别热压于所述质子交换膜两端面，形成阳极催化层和阴极催化层。
进一步地，所述阳极膜与所述阴极膜尺寸相同，所述质子交换膜两端面均预留所述留边区域。
进一步地，所述阳极膜尺寸小于所述阴极膜，于所述质子交换膜的所述阳极催化层所在的端面上预留所述留边区域。
进一步地，所述阳极膜尺寸大于所述阴极膜，于所述质子交换膜的所述阴极催化层所在的端面上预留所述留边区域。
本发明还提供了膜电极组件，包括质子交换膜，所述质子交换膜两端面分别封装有阳极催化层和阴极催化层，且所述质子交换膜的至少一端面的边缘上留有未被催化剂覆盖的留边区域，所述膜电极组件还包括封装于所述留边区域并密封所述质子交换膜边缘的有机高分子材料。
本申请中采用有机高分子材料封装在质子交换膜的留边区域中，由于该部分没有催化剂层，封装后能有效的保证封装区域的完全气密性，从而避免了气体泄露。另外，由于有机高分子材料封装质子交换膜的边缘，能够保证了阴极与阳极绝对的电绝缘，杜绝阴极阳极间的短路。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请的上述的和/或附加的方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例中的膜电极组件的热压示意图；
图2和图3为本申请实施例中的膜电极组件的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以下结合附图描述根据本申请实施例。
如图1至图3所示，本实施例中提供了一种封装方法，用于封装生产膜电极组件具体包括以下步骤：
将质子交换膜1裁剪；
将催化剂膜2裁剪，且裁剪后的面积小于质子交换膜1的裁剪面积；
将催化剂膜2热压至质子交换膜1以形成催化剂层，热压后质子交换膜1的边缘留出未覆盖催化剂的留边区域11；
用有机高分子材料3封装至留边区域11并密封质子交换膜1的边缘。
在质子交换膜1的留边区域11中，没有催化层，采用有机高分子材料3将这部分进行封装，在有机高分子膜和无催化的质子交换膜1的配合下，能有效的保证封装区域的完全气密性，从而避免了气体从催化层内部穿过封装边缘泄露的可能性。另外，由于有机高分子材料3封装质子交换膜1的边缘，能够保证了阴极与阳极绝对的电绝缘，杜绝阴极阳极间的短路。
因此，采用本实施例中的封装方法，能够有效改善成品膜电极组件的漏气率及漏电流。
针对本实施例中的封装方法所封装的成品膜电极组件做漏气测试，制作10pcs膜电极组件,其中5pcs为正常规格膜电极组件,即整个质子交换膜1都是被催化剂覆盖，制作成的膜电极组件编号为1、2、3、4、5号样品。另外5pcs为边缘不带催化剂的膜电极组件,编号分别为6、7、8、9、10号样品。采用起泡法进行测试膜电极组件的漏气率。测试结果如下：
Figure BDA0002120091340000051
从以上数据可以看出，通过本实施例中的封装方法对膜电极组件的边缘进行无催化剂处理，再进行封边后，膜电极组件的漏气率明显降低，不漏气性能比原来提高40％。
更具体地，本实施例中的质子交换膜1裁剪后的形状为矩形，催化剂膜2对应为矩形，且质子交换膜1的长和宽均大于催化剂膜2的长和宽，也即，在质子交换膜1上，其整个外围边缘均有留边区域11。
具体地，催化剂膜2包括阳极膜和阴极膜，分别热压于质子交换膜1两端面，形成阳极催化层21和阴极催化层22。
在本实施例中，阳极膜与阴极膜尺寸相同，二者均小于质子交换膜1的面积，因此，在质子交换膜1两端面上均预留有留边区域11。
在其他的实施例中，阳极膜可小于阴极膜尺寸，相应地，仅在质子交换膜1的阳极催化层21的端面上预留有留边区域11；或者阳极膜大于阴极膜尺寸，在质子交换膜1的阴极催化层22的端面上预留有留边区域11。
如图1至图3所示，本实施例中还提供了膜电极组件，包括质子交换膜1，质子交换膜1两端面分别封装有阳极催化层21和阴极催化层22，且质子交换膜1的至少一端面的边缘上留有未被催化剂覆盖的留边区域11，膜电极组件还包括密封质子交换膜1边缘并覆盖留边区域11的机高分子材料。
由于有机高分子材料3封装在质子交换膜1的留边区域11中，该部分没有催化剂层，封装后能有效的保证封装区域的完全气密性，从而避免了气体泄露。另外，由于有机高分子材料3封装质子交换膜1的边缘，能够保证了阴极与阳极绝对的电绝缘，杜绝阴极阳极间的短路。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (7)

1.封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
将质子交换膜裁剪；
将催化剂膜裁剪，且裁剪后的面积小于所述质子交换膜的裁剪面积；
将所述催化剂膜热压至所述质子交换膜以形成催化剂层，热压后所述质子交换膜的边缘留出未覆盖催化剂的留边区域；
将有机高分子材料封装至所述留边区域并密封所述质子交换膜的边缘。
2.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述质子交换膜裁剪后的形状为矩形，所述催化剂膜对应为矩形，且所述质子交换膜的长和宽均大于所述催化剂膜的长和宽。
3.根据权利要求1或2所述的封装方法，其特征在于，所述催化剂膜包括阳极膜和阴极膜，分别热压于所述质子交换膜两端面，形成阳极催化层和阴极催化层。
4.根据权利要求3所述的封装方法，其特征在于，所述阳极膜与所述阴极膜尺寸相同，所述质子交换膜两端面均预留所述留边区域。
5.根据权利要求3所述的封装方法，其特征在于，所述阳极膜尺寸小于所述阴极膜，于所述质子交换膜的所述阳极催化层所在的端面上预留所述留边区域。
6.根据权利要求3所述的封装方法，其特征在于，所述阳极膜尺寸大于所述阴极膜，于所述质子交换膜的所述阴极催化层所在的端面上预留所述留边区域。
7.膜电极组件，其特征在于，包括质子交换膜，所述质子交换膜两端面分别封装有阳极催化层和阴极催化层，且所述质子交换膜的至少一端面的边缘上留有未被催化剂覆盖的留边区域，所述膜电极组件还包括封装于所述留边区域并密封所述质子交换膜边缘的有机高分子材料。
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