CN112599823A - 质子交换膜燃料电池新型膜电极结构及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种质子交换膜燃料电池新型膜电极结构，包括质子交换膜、催化剂层、气体扩散层以及封装边框，气体扩散层与催化剂层之间均至少设有一层保护边框，且保护边框和封装边框上均设有尺寸、位置一致的通槽口；本发明还公开上述膜电极的封装工艺，在保护边框和封装边框预设刷胶留白区域，并将保护边框预压在质子交换膜上，再进行喷涂催化剂；采用保护边框对质子交换膜的预先热压，之后再进行催化剂层的涂覆，可以增强质子交换膜的机械强度性能和定位效果，有效缓解催化剂层在喷涂时，质子交换膜因溶胀不易定位问题；并且避免热压时气体扩散层边端出处对质子交换膜的压伤损坏，刷胶的留白区可有效解决膜电极在热压时出现的溢胶现象。

Description

质子交换膜燃料电池新型膜电极结构及其封装方法
技术领域
本发明涉及一种膜电极封装领域，具体而言，涉及一种质子交换膜燃料电池新型膜电极结构及封装方法。
背景技术
燃料电池是一种通过电化学反应将化学能直接转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高，环境友好等特点，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。膜电极是电化学反应发生的场所，在此燃料中的化学能直接转化为电能。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，膜电极的性能直接决定了电池的使用寿命。膜电极通常由阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极气体扩散层多层结构堆叠而成。
膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，膜电极的性能直接决定了电池的使用寿命。膜电极生产大致可分为两部分：前段为将催化剂附着在质子交换膜上，后段将附有催化剂的质子交换膜(CCM)进行封装。
专利CN 110834283 A提供一种五合一膜电极封装夹具，利用夹具将五合一膜电极定位，从而转运进行热压，这种方法原理比较简单，也比较实用，也是目前主流的封装手段。但是在定位过程中，需要将气体扩散层使用耐高温胶带粘在催化电极上，粘胶带的工艺要求精度高，所以对劳动者的操作要求高，劳动压力大，效率低下。
专利201210490779.0设计的热压夹具通过定位孔定位质子交换膜和封边材料，但是并未涉及如何将扩散层封装在催化电极表面，一旦气体扩散层大于催化电极的催化剂层面积，在热压封装的时候，因扩散层与催化电极存在一定的梯度差，气体扩散层四周易在高压的条件下压迫质子交换膜，出现膜漏的现象，封装效果不明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池新型膜电极结构及工艺，避免了传统封装手段需在气体扩散层四周粘上胶带的麻烦，可有效避免热压时气体扩散层对质子交换膜的破坏，大大提高了封装效果。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池膜电极结构，包括质子交换膜、置于质子交换膜两侧的催化剂层、两张将质子交换膜以及催化剂层装夹在内的封装边框，所述封装边框与催化剂层之间均设有气体扩散层，所述气体扩散层与催化剂层之间均至少设有一层保护边框，所述质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、封装边框以及保护边框的中心线均重合，且所述质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、封装边框以及保护边框的长、宽均互相平行，所述保护边框和封装边框上中心开口为尺寸、位置一致的通槽口。
本发明进一步设置为：所述催化剂层长、宽尺寸与所述通槽口长、宽尺寸相等，所述气体扩散层长、宽尺寸比所述通槽口的长、宽尺寸均大5-10mm。
本发明进一步设置为：所述保护边框上靠近催化剂层的一面，并远离其通槽口四周1-2mm处设有胶面层；所述封装边框上靠近扩散层的一面，并远离其通槽口四周1-2mm处同样设有胶面层；所述保护边框的通槽口与胶面层之间、所述封装边框的通槽口与胶面层之间均留有刷胶留白区。
本发明进一步设置为：所述的保护边框的材料为PEN或者PET，保护边框厚度为20-50μm。
本发明进一步设置为：所述封装边框材料为PEN或者PET，厚度为50-80μm。
本发明进一步设置为：所述保护边框)与封装边框以及质子交换膜形状尺寸均相同。
本发明还提供了一种质子交换膜燃料电池膜电极结构的制备方法，包含以下步骤：
S1、采用裁剪机裁剪出具有通槽口的封装边框、保护边框；
S2、在保护边框的一侧面除靠近其通槽口1-2mm处均匀涂覆热敏胶，形成胶面层；
S3、将两张保护边框含热敏胶的一面分别贴在质子交换膜两侧，两张保护边框完全定位；
S4、将经过步骤S2和步骤S3处理定位后的保护边框和质子交换膜(4)放入热压机中进行热压处理，热压后取出，冷却备用；
S5、在经步骤S4热压后的质子交换膜两侧并与通槽口相通处喷涂催化剂层，得到两侧含有保护边框的催化电极；
S6、在封装边框的一侧面除靠近通槽口1-2mm处均匀涂覆热敏胶；
S7、将经过步骤S4得到的催化电极两侧定位放上气体扩散层，气体扩散层长宽与通槽口长宽分别等距，再将两张封装边框含热敏胶的一侧面分别贴在两气体扩散层上，同时两封装边框(1)分别与两保护边框重合，形成电极；
S8、将经过步骤S7得到的电极放入热压机中进行热压处理，热压后取出冷却得到具有新型封装结构的膜电极。
本发明进一步设置为：步骤S4的热压温度50-60℃，热压时间30-60s，保压压力1Mpa；步骤S8的热压温度60-80℃，热压时间120-180s，保压压力1Mpa。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明设置一种质子交换膜燃料电池新型膜电极结构，在传统封装工艺扩散层与催化电极中间添加了一层保护边框，并且经过两次热压工艺，在不会破坏膜电极本身内部结构的同时，有效提高密封效果；
2、本发明在喷涂催化电极层前，先将保护边框与质子交换膜预热压封装处理，保护边框提高了质子交换膜本体的强度性能和定位效果，再在质子交换膜两侧面与通槽口相通处喷涂催化剂层，可以缓解传统喷涂工艺中质子交换膜溶胀不易定位的问题；并且相较于现有封装工艺中，先喷涂催化剂层-再热压的普通工艺，本工艺采用先热压-再喷涂催化剂层的工艺，不会造成热压过程中热压台对催化剂层的直接接触，保证了催化剂层的性能；
3、本发明在质子交换膜上预压保护边框，并且气体扩散层的尺寸比封装边框和保护边框的通槽口尺寸大，从而保证扩散层完整的被封装在膜电极内；同时在保护边框作用下，可以避免气体扩散层的四周边端直接与质子交换膜接触，避免热压过程中，气体扩撒层对质子交换膜的抵触损坏，从而可有效的保护质子交换膜；进一步的，由于避免了传统封装工艺中扩散层尺寸小于通槽口需要粘接高温胶带来的麻烦，有效提高了膜电极封装效率；
4、本发明在保护边框以及封装边框上涂覆热敏胶，在通槽口附近留着一定的空白区域，可有效解决传统封装工艺在热压过程中，通槽口内出现溢胶现象，大大提高了封装效率。
附图说明
图1是质子交换膜燃料电池新型膜电极结构示意图；
图2保护边框以及封装边框热敏胶涂层位置示意图；
图中：1、封装边框；2、气体扩散层；3、保护边框；4、质子交换膜；5、催化剂层；6、刷胶留白区域；7、热敏胶层；8、通槽口。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种质子交换膜燃料电池新型膜电极结构，如图1所示，包括质子交换膜4、置于质子交换膜4两侧的催化剂层5、两张将质子交换膜4以及催化剂层5包覆在内的封装边框1，封装边框1与催化剂层5之间均设有气体扩散层2，同时在气体扩散层2与催化剂层5之间均至少设有一层保护边框3，质子交换膜4、催化剂层5、气体扩散层2、封装边框1以及保护边框3的中心线均重合，且长宽均互相平行，保护边框3和封装边框1上均设有尺寸、位置一致的通槽口8。
一种质子交换膜燃料电池新型膜电极结构的封装工艺，具体步骤如下：
选择一张PEN材料，厚度为60μm，具有高物理机械性能、气体阻隔性能、化学稳定性及耐热性的薄膜，裁剪两张大小相同的PEN薄膜作为封装边框1，并在封装边框1正中心采用模具压制裁剪出长宽尺寸比气体扩散层2长宽尺寸小5mm的通槽口8备用。
选择一张PEN材料，厚度为20μm，具有高物理机械性能、气体阻隔性能、化学稳定性及耐热性的薄膜，裁剪两张与封装边框1尺寸一致的PEN薄膜作为保护边框3，同时压制裁剪出通槽口8，保护边框3与封装边框1的通槽口8形状、尺寸、位置均一致，并比气体扩散层2长宽尺寸少5mm，裁剪一张与保护边框3外尺寸相同的质子交换膜4备用。
在裁剪完的两张保护边框3一侧面使用涂胶设备均匀涂覆热敏胶，在离保护边框3通槽口8四周预留2mm处作为刷胶留白区域6，使用定位工具将两张保护边框3带有热敏胶层7的一侧面贴在质子交换膜4两侧，并将该结构放入热压机中进行热压处理。热压机上下模压温度设置60℃，热压时间50s，保压压力设置为1Mpa。热压处理后的结构待冷却后将其放在超声喷涂平台上，在通槽口8内的质子交换膜4两侧均匀喷涂催化剂层5，形成具有保护边框3的催化电极。
同样在裁剪完的两张封装边框的一侧面使用涂胶设备均匀涂覆热敏胶，在离通槽口8四周预留2mm处作为刷胶留白区域6。刷胶完毕后，先将催化电极放在定位工具上，把气体扩散层2定位放在催化电极中心区域，气体扩散层2长宽与通槽口8长宽分别等距，气体扩散层2四周比通槽口8多出2.5mm，即扩散层正置于电极中间位置。之后将一张封装边框含有热敏胶的一面贴在催化电极和气体扩散层2上，通过定位工具将封装边框和保护边框3定位。定位完成将整体翻转，采用相同的方式将气体扩散层2和另一张封装边框贴在催化电极上，形成膜电极组件。将膜电极组件从定位工具中取出，并放在热压机中进行热压处理。热压机上下模压温度设置80℃，热压时间120s，保压压力设置为1Mpa。热压完成取出冷却，得到带有保护边框3的新型膜电极产品。
对本发明所制备膜电极结构的气密性进行检测，将膜电极放入夹具中，并在膜电极任意一侧面通入0.05MPa的氮气，通入后将气源关闭保持膜电极一侧面压力为0.05MPa，2min后，压力下降值小于0.005MPa，本发明制备膜电极密封效果较好。
对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种质子交换膜燃料电池膜电极结构，包括质子交换膜(4)、置于质子交换膜(4)两侧面的催化剂层(5)、两张将质子交换膜(4)以及催化剂层(5)装夹在内的封装边框(1)，所述封装边框(1)与催化剂层(5)之间均设有气体扩散层(2)，其特征在于，所述气体扩散层(2)与催化剂层(5)之间均至少设有一层保护边框(3)，所述质子交换膜(4)、催化剂层(5)、气体扩散层(2)、封装边框(1)以及保护边框(3)的中心线均重合，且所述质子交换膜(4)、催化剂层(5)、气体扩散层(2)、封装边框(1)以及保护边框(3)的长、宽均互相平行，所述保护边框(3)和封装边框(1)上中心开口为尺寸、位置一致的通槽口(8)。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极结构，其特征在于：所述催化剂层(5)长、宽尺寸与所述通槽口(8)长、宽尺寸相等，所述气体扩散层(2)长、宽尺寸比所述通槽口(8)的长、宽尺寸均大5-10mm。
3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极结构，其特征在于，所述保护边框(3)上靠近催化剂层(5)的一面，并远离其通槽口(8)四周1-2mm处设有胶面层(7)；所述封装边框(1)上靠近扩散层(2)的一面，并远离其通槽口(8)四周1-2mm处同样设有胶面层(7)；所述保护边框(3)的通槽口(8)与胶面层(7)之间、所述封装边框(1)的通槽口(8)与胶面层(7)之间均留有刷胶留白区(6)。
4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极结构，其特征在于：所述的保护边框(3)的材料为PEN或者PET，保护边框(3)厚度为20-50μm。
5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极结构，其特征在于：所述封装边框(1)材料为PEN或者PET，厚度为50-80μm。
6.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极结构，其特征在于：所述保护边框(3)与封装边框(1)以及质子交换膜(4)形状尺寸均相同。
7.一种质子交换膜燃料电池膜电极结构的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、采用裁剪机裁剪出具有通槽口(8)的封装边框(1)、保护边框(3)；
S2、在保护边框(3)的一侧面除靠近其通槽口(8)1-2mm处均匀涂覆热敏胶，形成胶面层(7)；
S3、将两张保护边框(3)含热敏胶的一面分别贴在质子交换膜(4)两侧，两张保护边框(3)完全定位；
S4、将经过步骤S2和步骤S3处理定位后的保护边框(3)和质子交换膜(4)放入热压机中进行热压处理，热压后取出，冷却备用；
S5、在经步骤S4热压后的质子交换膜(4)两侧并与通槽口(8)相通处喷涂催化剂层(5)，得到两侧含有保护边框(3)的催化电极；
S6、在封装边框(1)的一侧面除靠近通槽口(8)1-2mm处均匀涂覆热敏胶；
S7、将经过步骤S4得到的催化电极两侧定位放上气体扩散层(2)，气体扩散层(2)长宽与通槽口(8)长宽分别等距，再将两张封装边框(1)含热敏胶的一侧面分别贴在两气体扩散层(2)上，同时两封装边框(1)分别与两保护边框(3)重合，形成电极；
S8、将经过步骤S7得到的电极放入热压机中进行热压处理，热压后取出冷却得到具有新型封装结构的膜电极。
8.根据权利要求7所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极结构的制备方法，其特征在于：步骤S4的热压温度50-60℃，热压时间30-60s，保压压力1Mpa；步骤S8的热压温度60-80℃，热压时间120-180s，保压压力1Mpa。
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