CN112490465A - 膜电极封装结构 - Google Patents

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吴力杰
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Abstract

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种膜电极封装结构。该种膜电极封装结构包括顶面气体扩散层和底面气体扩散层，两个气体扩散层之间夹有催化剂涂布膜和两层材料粘接性质相同的边框，催化剂涂布膜位于两层边框之间，两层边框的供催化剂涂布膜粘接的部位位于两层边框的非外边缘处，两层边框的供催化剂涂布膜粘接的部位形成凹陷，凹陷处的内侧壁围住催化剂涂布膜，催化剂涂布膜的两个端面分别通过均为催化剂涂布膜亲和型的第一粘接剂层、第二粘接剂层粘接两层边框的凹陷处的底壁，两层边框的外边缘处通过边框材料亲和型的第三粘接剂层相互粘接。该种封装结构采用常见的粘接剂就可以具有较好的密封性好，不需要选用特殊种类的粘接剂，成本低。

Description

膜电极封装结构
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种膜电极封装结构。
背景技术
如图1和图2，当前膜电极的主流封装方法为：首先在质子交换膜的两端面分别涂布阳极催化剂层和阴极催化层，制备出具有三层结构的催化剂涂布膜4(CCM)；然后把催化剂涂布膜4的边缘与两个边框1、9的边缘通过粘接剂层粘接密封起来；最后两层气体扩散层5、6分别通过粘接剂层来粘接边框形成膜电极。该种封装结构的膜电极中使用的粘接剂层需要既对碳氢类材料具有较好粘接性能，又对全氟磺酸树脂具有较好粘接性能，才能满足膜电极对密封性的要求，但是由于边框1、9一般是碳氢类材料，催化剂涂布膜4表面的主要材料为全氟磺酸树脂，碳氢类材料和全氟磺酸树脂两者的性质差别较大，导致这两者的粘接性质差别很大，同时对碳氢类材料和全氟磺酸树脂都有较好粘接性能的粘接剂属于特殊种类的粘接剂，不仅稀有，而且价格贵。如果出于成本考虑，选用常见的粘接剂来封装膜电极，这种膜电极在使用过程中可能会密封性不好。
发明内容
本发明提供一种膜电极封装结构，该种封装结构采用常见的粘接剂就可以具有较好的密封性好，不需要选用特殊种类的粘接剂，成本低。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
膜电极封装结构，包括顶面气体扩散层和底面气体扩散层，两个气体扩散层之间夹有催化剂涂布膜和两层材料粘接性质相同的边框，催化剂涂布膜位于两层边框之间，两层边框的供催化剂涂布膜粘接的部位位于两层边框的非外边缘处，两层边框的供催化剂涂布膜粘接的部位形成凹陷，凹陷处的内侧壁围住催化剂涂布膜，催化剂涂布膜的两个端面分别通过均为催化剂涂布膜亲和型的第一粘接剂层、第二粘接剂层粘接两层边框的凹陷处的底壁，两层边框的外边缘处通过边框材料亲和型的第三粘接剂层相互粘接。
进一步地，凹陷处的底壁表面粗糙。
进一步地，第三粘接剂层和两层边框的凹陷处的内侧壁一起封堵住催化剂涂布膜的周侧。
进一步地，两层边框的凹陷处的内侧壁与第三粘接剂层三者的厚度之和等于催化剂涂布膜、第一粘接剂层与第二粘接剂层三者的厚度之和，从而使得两层边框整体平整。
进一步地，两层边框都是碳氢类材料制成，相应地，第三粘接剂层是碳氢类材料亲和型的粘接剂。
进一步地，两层边框具体是由同一种材料制成的。
进一步地，催化剂涂布膜的两个端面的与两层边框的凹陷处的底壁的粘接处具体是两个端面的边缘。
进一步地，第三粘接剂层铺满两层边框的非凹陷处。
进一步地，第一粘接剂层、第二粘接剂层分别铺满两层边框的凹陷处的底壁。
进一步地，催化剂涂布膜的两个端面是含全氟磺酸树脂的催化剂层，相应地，第一粘接剂层、第二粘接剂层都是全氟磺酸树脂亲和性的粘接剂。
有益效果：该种膜电极封装结构中，由于两层边框材料的粘接性质相同，因此边框材料亲和型的第三粘接剂层可以使两层边框的外边缘稳固地粘接在一起；两层边框的外边缘粘接在一起后，就将催化剂涂布膜夹紧限制在两层边框之间了，两层边框的凹陷处可以限制催化剂涂布膜横移，就算第一粘接剂层和第二粘接剂层与边框的粘接力一般甚至较差，由于两层边框的夹紧作用以及凹陷处的限制，催化剂涂布膜也不会松动；由于第一粘接剂层和第二粘接剂层是催化剂涂布膜亲和型的，可以稳固地粘接在催化剂涂布膜的两端面，从而使得气体不能从催化剂涂布膜的粘接在凹陷处的部位渗漏，密封性好。第一粘接剂层、第二粘接剂层和第三粘接剂层都是常见的粘接剂所形成的，该种封装结构的膜电极不需要使用特殊种类的粘接剂，成本低。
附图说明
图1是双层边框膜电极结构分解图；
图2是现有技术中双层边框膜电极结构的示意图；
图3是本发明的双层边框膜电极结构的封装流程示意图；
图4是图3中位于下方的边框上形成凹陷后的主视图；
图5是本发明的双层边框膜电极结构的示意图。
具体实施方式
此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3，膜电极封装方法包括以下步骤：
①在PEN材质的边框1顶面进行表面等离子体刻蚀或者激光刻蚀构建出凹陷2，凹陷2处的内侧壁21围成的区域(如图4虚线围成的区域)与催化剂涂布膜4(催化剂涂布膜4选用现有技术中催化剂层含全氟磺酸树脂的催化剂涂布膜)形状大小相同；在PEN材质的边框9底面进行相同操作；边框1的材质可以改为PET、PI、PP、PE、PEEK和PPS材质中的任一种，边框9也可以改为PET、PI、PP、PE、PEEK和PPS材质中的任一种，边框1和边框9可以选同一种材质(例如本实施例中，边框1和边框9都是PEN材质)，也可以不选同一种，只需要边框1和边框9具有相同的粘接性能即可。如果边框1和边框9选用不同的材质，可以采用现有技术对边框1或者边框9进行处理，使边框1和边框9的热收缩率等性质相近，就可以在满足粘接性质相同的情况下，使边框1和9也满足对边框的其他性能的要求。
②在边框1顶面的非凹陷处11涂上一层10～25微米第三粘接剂层8，第三粘接剂层8铺满边框1顶面的非凹陷处11；在边框1顶面的凹陷11处涂上一层3～20微米第二粘接剂层7，第二粘接剂层7铺满边框1顶面的凹陷11处的底壁22，第二粘接剂层7与凹陷2处的内侧壁21接触；第三粘接剂层8选用对边框1、9材料(碳氢类材料)亲和型的粘接剂层，即第三粘接剂层8选用对边框1、9材料具有较好粘接性能的胶粘剂层，例如THREEBOND11X-375，第二粘接剂层7选用催化剂涂布膜亲和型的粘接剂层，本实施例中是对全氟磺酸树脂具有较好粘接性能的粘接剂层，例如HENKEL Loctite EA3355。
③把催化剂涂布膜4置入由边框1顶面的凹陷2处的内侧壁21围成的区域内，催化剂涂布膜4的两个端面的边缘接触第二粘接剂层7，凹陷2处的内侧壁21抵住催化剂涂布膜4的周侧，防止催化剂涂布膜4侧向偏移错位；
④在边框9底面的凹陷2处涂上一层3～20微米的第一粘接剂层3，第一粘接剂层3铺满框9底面的凹陷2处的底壁22，第一粘接剂层3选用催化剂涂布膜亲和型的粘接剂层，本实施例中是对全氟磺酸树脂具有较好粘接性能的粘接剂层，例如HENKEL Loctite EA3355。
⑤把边框9和边框1的非凹陷处11经第三粘接剂层8贴合在一起，由于两层边框1、9的凹陷2处的内侧壁21与第三粘接剂层8层三者的厚度之和等于催化剂涂布膜4、第一粘接剂层3层与第二粘接剂层7层三者的厚度之和，两层边框1、9通过第三粘接剂层8整体平整地贴合一起，此时催化剂涂布膜4的上端通过第一粘接剂层3贴合边框9下表面的凹陷2处，催化剂涂布膜4的下端通过第二粘接剂层7贴合边框1上表面的凹陷2处；根据第一粘接剂层3、第二粘接剂层7和第三粘接剂层8的种类选用热固化、光固化或压力固化的方式使这些粘接剂层固化，从而使边框9、催化剂涂布膜4和边框1粘接在一起。
⑥采用现有技术将顶面气体扩散层5固定在边框9顶面，将底面气体扩散层6固定在边框1下表面，就得到了如图5的封装结构的膜电极。
膜电极装配完成后，如图5，第一粘接剂层3和第二粘接剂层7是对全氟磺酸树脂具有较好粘接性能的粘接剂层，能稳固的粘在催化剂涂布膜4的两端，因此催化剂涂布膜4上下两端的气体不能从催化剂涂布膜4的被第一粘接剂层3和第二粘接剂层7粘住的部位渗漏到对端，第三粘接剂层8和边框1、9的凹陷2处的内侧壁21一起封堵住催化剂涂布膜4的周侧，阻隔催化剂涂布膜4上下两端的气体从催化剂涂布膜4周侧渗漏到对端，使得该膜电极密封效果好。由于经边框1、9上经刻蚀得到的凹陷2处的底壁22表面粗糙，因此第一粘接剂层3、第二粘接剂层7与凹陷2处的底壁22的粘接力较大，使得催化剂涂布膜4不容易从凹陷2的底壁22上脱落，即使催化剂涂布膜4与凹陷2处的底壁22粘接得不紧，由于边框1、9的非凹陷处11通过第三粘接剂层8稳固地粘接在一起，边框1、9两者将催化剂涂布膜4夹紧在两者之间，催化剂涂布膜4也不会从凹陷2的底壁22上脱落，因此该膜电极装配稳定性好。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (10)

1.膜电极封装结构，包括顶面气体扩散层和底面气体扩散层，两个气体扩散层之间夹有催化剂涂布膜和两层材料粘接性质相同的边框，催化剂涂布膜位于两层边框之间，两层边框的供催化剂涂布膜粘接的部位位于两层边框的非外边缘处，其特征在于：两层边框的供催化剂涂布膜粘接的部位形成凹陷，凹陷处的内侧壁围住催化剂涂布膜，催化剂涂布膜的两个端面分别通过均为催化剂涂布膜亲和型的第一粘接剂层、第二粘接剂层粘接两层边框的凹陷处的底壁，两层边框的外边缘处通过边框材料亲和型的第三粘接剂层相互粘接。
2.根据权利要求1所述的膜电极封装结构，其特征在于，凹陷处的底壁表面粗糙。
3.根据权利要求1所述的膜电极封装结构，其特征在于，第三粘接剂层和两层边框的凹陷处的内侧壁一起封堵住催化剂涂布膜的周侧。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的膜电极封装结构，其特征在于，两层边框的凹陷处的内侧壁与第三粘接剂层三者的厚度之和等于催化剂涂布膜、第一粘接剂层与第二粘接剂层三者的厚度之和，从而使得两层边框整体平整。
5.根据权利要求1所述的膜电极封装结构，其特征在于，两层边框都是碳氢类材料制成，相应地，第三粘接剂层是碳氢类材料亲和型的粘接剂。
6.根据权利要求1或5所述的膜电极封装结构，其特征在于，两层边框具体是由同一种材料制成的。
7.根据权利要求1所述的膜电极封装结构，其特征在于，催化剂涂布膜的两个端面的与两层边框的凹陷处的底壁的粘接处具体是两个端面的边缘。
8.根据权利要求1所述的膜电极封装结构，其特征在于，第三粘接剂层铺满两层边框的非凹陷处。
9.根据权利要求1所述的膜电极封装结构，其特征在于，第一粘接剂层、第二粘接剂层分别铺满两层边框的凹陷处的底壁。
10.根据权利要求1所述的膜电极封装结构，其特征在于，催化剂涂布膜的两个端面是含全氟磺酸树脂的催化剂层，相应地，第一粘接剂层、第二粘接剂层都是全氟磺酸树脂亲和性的粘接剂。
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