CN112846534A - 一种3ccm的切割方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种3CCM的切割方法，属于燃料电池膜电极的制备技术领域。该3CCM包括质子膜和涂布于质子膜表面的催化剂层。切割方法包括：将3CCM与保护膜贴合在一起；通过激光切割的方式切割3CCM以及与3CCM贴合的保护膜；将切割下来的保护膜和3CCM剥离。其中，保护膜的溶胀率低于质子膜的溶胀率，保护膜的热稳定性高于质子膜的热稳定性。此方法能够有效解决质子膜的溶胀变形以及受热变形的问题，切割效果更好。

Description

一种3CCM的切割方法

技术领域

本申请涉及燃料电池膜电极的制备技术领域，具体而言，涉及一种3CCM的切割方法。

背景技术

现有技术中，膜电极的制备方法通常是：对质子膜进行放卷，在放卷的过程中通过喷涂装置将催化剂浆料喷涂在质子膜的正反两面得到3CCM，然后切割3CCM得到片材，在片材上设置边框和扩散层以后，得到膜电极。3CCM成品是柔性非金属薄膜材质，厚度约20-30um，放置一段时间后，容易吸湿发生形变，使3CCM切割时尺寸精度无法保证。

发明内容

发明人研究发现，3CCM放置一段时间后，切割的尺寸精度无法得到保证的原因是：质子膜在空气中放置一段时间后，会吸收空气中的水分，从而使质子膜产生溶胀和变形。

为了解决上述问题，本申请的目的在于提供一种3CCM的切割方法，能够提高3CCM的切割尺寸精度。

本申请提供一种3CCM的切割方法，3CCM包括质子膜和涂布于质子膜表面的催化剂层，切割方法包括：将3CCM与保护膜贴合在一起；通过激光切割的方式切割3CCM以及与3CCM贴合的保护膜；将切割下来的保护膜和3CCM剥离。其中，保护膜的溶胀率低于质子膜的溶胀率，保护膜的热稳定性高于质子膜的热稳定性。

现有技术中，切割3CCM的方法是刀模冲压切割的方式，容易造成3CCM裁切边缘毛刺、褶皱、边缘不齐等现象；且刀模的产品兼容性较差，每种产品都需要配套一套专用刀模，刀模更换加工周期较长；刀模加工精度受限，不能裁切特殊异形形状，加工精度约为±0.2mm。如果直接将刀模冲压切割的方式更改成激光切割的方式，则由于激光切割会产生一定的热量，反而会造成质子膜的受热变形，导致切割精度进一步降低。而本申请中，在激光切割之前，先将保护膜与3CCM贴合，由于保护膜的溶胀率低于质子膜的溶胀率，保护膜不易吸水产生溶胀变形；且保护膜的热稳定性高于质子膜的热稳定性，保护膜也不易产生受热变形，如果质子膜吸水或受热从而具有溶胀变形和受热变形的趋势，保护膜和3CCM的贴合作用，使保护膜对3CCM具有反作用力，从而可以在一定程度上避免质子膜的溶胀变形和受热变形，以提高3CCM的切割尺寸精度。

在一种可能的实施方式中，质子膜的TD溶胀率为3％-10％，MD溶胀率为3％-10％；质子膜的TD抗拉强度为20-50MPa，MD抗拉强度为20-50MPa。

保护膜的TD溶胀率≤1％，MD溶胀率≤1％；保护膜的TD抗拉强度≥80MPa，MD抗拉强度≥80MPa。

保护膜的溶胀率小于质子膜的溶胀率；保护膜的抗拉强度小于质子膜的抗拉强度(保护膜的刚性较大，不易产生受热变形)，可以使保护膜的变形率小于质子膜的变形率(相较于质子膜，保护膜不管是受热变形还是溶胀变形均不易发生)，保护膜不易发生变形，从而对贴合在保护膜上的3CCM提供一定的防止其变形的反作用力。

在一种可能的实施方式中，保护膜的厚度为50-150um，质子膜的厚度为8-20um。保护膜的厚度较厚，质子膜的厚度相对较薄，相对于质子膜，保护膜更加不容易产生溶胀变形和受热变形。

在一种可能的实施方式中，保护膜选自PET膜、PI膜、PP膜、PE膜、PEN膜和PTFE膜中的一种；保护膜的贴合所述3CCM的表面设置有离型涂层或粘结涂层。

通过涂层的设置，可以使保护膜和3CCM更好地贴合在一起，保护膜使用上述材料，且保护膜TD溶胀率≤1％，MD溶胀率≤1％；保护膜的TD抗拉强度≥80MPa，MD抗拉强度≥80MPa。从保护膜的材料和性能共同进行限定，使保护膜不易产生溶胀变形和受热变形。

在一种可能的实施方式中，保护膜选自静电膜、低粘膜、氟塑离型膜和失粘膜中的一种。

上述种类的膜上本身设置有涂层，可以使保护膜和3CCM更好地贴合在一起，不需要再单独进行涂层的设置。保护膜使用上述材料，且保护膜TD溶胀率≤1％，MD溶胀率≤1％；保护膜的TD抗拉强度≥80MPa，MD抗拉强度≥80MPa。从保护膜的材料和性能共同进行限定，使保护膜不易产生溶胀变形和受热变形。

在一种可能的实施方式中，在温度为23±1℃，相对湿度为50±5％的条件下，保护膜的剥离力≤50g/25mm。可以使保护膜和3CCM能够更好地剥离，催化剂层不易沾染在保护膜上。

在一种可能的实施方式中，保护膜还满足：将切割下来的片材置于60-130℃的条件下烘烤1-3min，将保护膜和3CCM剥离以后，3CCM上的催化剂不沾染保护膜。使用激光切割的方式切割保护膜，保护膜的局部区域会有热效应。如果保护膜的剥离力较小且在加热条件下也能够满足剥离不沾染催化剂，则保护膜不会受到激光切割的热效应的影响，切割尺寸更加精确。

在一种可能的实施方式中，使3CCM与保护膜贴合在一起的方法，包括：将3CCM与保护膜辊压贴合，辊压压力为0.05-0.2MPa。可以使3CCM与保护膜的贴合效果更好，3CCM与保护膜之间基本不产生气泡，且在输送和切割的过程中不产生位移。

在一种可能的实施方式中，激光切割的方式为皮秒紫外激光切割的方式。超短脉冲紫外冷激光切割热效应小，最小3μm的崩边和热影响区，切割边缘不产生锯齿、毛刺、褶皱等现象，且可以进一步避免质子膜的变形和溶胀。

在一种可能的实施方式中，皮秒紫外激光切割的切割功率为10-30W；切割速度为20-40S/PCS。该功率和速度下的皮秒紫外激光切割，3CCM的切割效果更好。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本申请实施例中的技术方案进行描述。

对质子膜进行放卷，在放卷的过程中通过喷涂装置将催化剂浆料喷涂在质子膜的正反两面得到3CCM。其中，可以在质子膜的正反两面间隔涂布催化剂层得到3CCM；也可以在质子膜的正反两面满涂催化剂层得到3CCM。本申请提供的切割方法对于上述两种3CCM的切割均可以满足，本申请不做限定。

由于发明人研究发现，如果质子膜在空气中放置一段时间后，会吸收空气中的水分，从而使质子膜产生溶胀变形。然后对质子膜产生溶胀变形的3CCM进行切割，会出现切割时尺寸精度无法保证的问题(人工切割或刀模冲压切割均存在该问题)。

发明人进一步研究发现，如果直接将人工切割或刀模冲压切割的方式更改成激光切割的方式，由于激光切割时会产生一定的热效应，所以，会使会造成质子膜的受热变形，导致切割精度进一步降低。

所以，本申请提供一种3CCM的切割方法，能够有效解决上述的质子膜的溶胀和变形的问题，以提高3CCM的切割尺寸精度。

本申请中，切割方法包括如下步骤：

S110，将3CCM与保护膜贴合在一起。其中，保护膜的溶胀率低于质子膜的溶胀率，保护膜的热稳定性高于质子膜的热稳定性。

保护膜的溶胀率低，且保护膜与3CCM贴合，保护膜不易吸水产生溶胀变形；且保护膜的热稳定性高于质子膜的热稳定性，保护膜也不易产生受热变形，如果质子膜吸水或受热从而具有溶胀变形和受热变形的趋势，保护膜和3CCM的贴合作用，使保护膜对3CCM具有反作用力，从而可以在一定程度上避免质子膜的溶胀变形和受热变形。

对于间隔涂布催化剂层形成的3CCM来说，在将保护膜和3CCM贴合在一起以后，质子膜与保护膜贴合的区域，可以使保护膜的反作用力直接作用于质子膜，对质子膜的反作用力更大，可以更好地缓解质子膜的溶胀变形和受热变形。

对于满涂催化剂层形成的3CCM来说，在将保护膜和3CCM贴合在一起以后，保护膜均与催化剂层贴合在一起，可以使保护膜的反作用力通过催化剂层间接作用于质子膜，对质子膜的反作用力相对减小，但依然具有一定的作用力，能够起到缓解质子膜的溶胀变形和受热变形的效果。

本申请中，质子膜的TD溶胀率为3％-10％(其中，TD是指垂直于机械方向，也就是质子膜输送走膜的时候，质子膜的幅宽方向)，MD溶胀率为3％-10％(其中，MD是指机械方向，也就是质子膜输送走膜的时候，质子膜的输送方向)。质子膜的TD抗拉强度为20-50MPa(其中，TD是指垂直于机械方向，也就是质子膜输送走膜的时候，质子膜的幅宽方向)，MD抗拉强度为20-50MPa(其中，MD是指机械方向，也就是质子膜输送走膜的时候，质子膜的输送方向)。质子膜的溶胀率和抗拉强度在上述范围之内，容易出现溶胀变形和受热变形。

本申请中，保护膜的TD溶胀率≤1％，MD溶胀率≤1％；保护膜的TD抗拉强度≥80MPa，MD抗拉强度≥80MPa。保护膜的溶胀率和抗拉强度的检测方法与质子膜的溶胀率和抗拉强度的检测方法一致。

保护膜的溶胀率小于质子膜的溶胀率；保护膜的抗拉强度小于质子膜的抗拉强度(保护膜的刚性较大，不易产生受热变形)，可以使保护膜的变形率小于质子膜的变形率，保护膜不易发生变形，从而对贴合在保护膜上的3CCM提供一定的防止其变形的反作用力。

本申请中，保护膜的厚度为50-150um，质子膜的厚度为8-20um。作为示例性地，保护膜的厚度为50-80um，质子膜的厚度为8-10um；保护膜的厚度为80-120um，质子膜的厚度为10-15um；保护膜的厚度为120-150um，质子膜的厚度为15-20um。

本申请中，保护膜选自PET膜、PI膜、PP膜、PE膜、PEN膜和PTFE膜中的一种；保护膜的贴合3CCM的表面设置有离型涂层或粘结涂层。通过涂层的设置，可以使保护膜和3CCM更好地贴合在一起。

在其他实施例中，保护膜选自静电膜、低粘膜、氟塑离型膜和失粘膜中的一种。上述种类的膜上本身设置有涂层，可以使保护膜和3CCM更好地贴合在一起，不需要再单独进行涂层的设置。

本申请中，在温度为23±1℃，相对湿度为50±5％的条件下，保护膜的剥离力≤50g/25mm。保护膜的剥离力小，可以使保护膜和3CCM能够更好地剥离，催化剂层不易沾染在保护膜上。

可选地，保护膜还满足：将切割下来的片材置于60-130℃的条件下烘烤1-3min，将保护膜和3CCM剥离以后，3CCM上的催化剂不沾染保护膜。使用激光切割的方式切割保护膜，保护膜的局部区域会有热效应。如果保护膜的剥离力较小且在加热条件下也能够满足剥离不沾染催化剂，则保护膜不会受到激光切割的热效应的影响，切割尺寸更加精确。

作为示例性地，片材的烘烤温度为60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃或130℃；片材的烘烤时间为1min、2min或3min。

为了使3CCM与保护膜贴合在一起，3CCM与保护膜之间基本不产生气泡，且在输送和切割的过程中不产生位移。将3CCM与保护膜辊压贴合，辊压压力为0.05-0.2MPa。

作为示例性地，辊压压力为0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa或0.2MPa S120，通过激光切割的方式切割3CCM以及与3CCM贴合的保护膜。

虽然激光切割的时候会产生一定的热效应，但是，由于保护膜的作用，可以有效缓解质子膜的溶胀变形和受热变形，从而使切割的3CCM的尺寸精度更高。

如果是对间隙涂布的3CCM进行切割，则切割的位置是相邻两个催化剂片层之间的质子膜和贴合于此处质子膜的保护膜。如果是对满涂的3CCM进行切割，则切割的位置是催化剂层、质子膜和与催化剂层贴合的保护膜。

本申请中，激光切割的方式为皮秒紫外激光切割的方式。超短脉冲紫外冷激光切割热效应小，最小3μm的崩边和热影响区，切割边缘不产生锯齿、毛刺、褶皱等现象，且可以进一步避免质子膜的受热变形。

可选地，皮秒紫外激光切割的切割功率为10-30W；切割速度为20-40S/PCS。该功率和速度下的皮秒紫外激光切割，3CCM的切割效果更好。作为示例性地，切割功率为10W、15W、20W、25W或30W；切割速度为20S/PCS、25S/PCS、30S/PCS、35S/PCS或40S/PCS。

S130，将切割下来的保护膜和3CCM剥离。可选地，在常温下进行保护膜和3CCM剥离。可以使催化剂不沾染保护膜，剥离效果好。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

3CCM的切割方法包括如下步骤：

(1)、在质子膜上间隔涂布催化剂层形成3CCM。

(2)、在厚度为100μm的PET膜上涂覆厚度为15μm的硅胶层，形成保护膜。

(3)、将卷料保护膜和卷料3CCM一起放卷，并通过放卷纠偏，使放卷的3CCM和保护膜在辊压机处重叠，并通过辊压机提供0.1MPa的辊压压力，使3CCM和保护膜贴合在一起。

(4)、辊压以后的膜经过皮秒紫外激光切割装置，在切割功率为20W，切割速度为30S/PCS的条件下进行切割得到片材。

(5)、将切割下来的片材置于120℃的条件下烘烤2min，然后将保护膜和3CCM剥离。

实施例2

3CCM的切割方法包括如下步骤：

(1)、在质子膜上间隔涂布催化剂层形成3CCM。

(2)、在厚度为100μm的PP膜上涂覆厚度为15μm的硅胶层，形成保护膜。

(3)、将卷料保护膜和卷料3CCM一起放卷，并通过放卷纠偏，使放卷的3CCM和保护膜在辊压机处重叠，并通过辊压机提供0.1MPa的辊压压力，使3CCM和保护膜贴合在一起。

(4)、辊压以后的膜经过皮秒紫外激光切割装置，在切割功率为20W，切割速度为30S/PCS的条件下进行切割得到片材。

(5)、将切割下来的片材置于120℃的条件下烘烤2min，然后将保护膜和3CCM剥离。

实施例3

3CCM的切割方法包括如下步骤：

(1)、在质子膜上间隔涂布催化剂层形成3CCM。

(2)、将厚度为150μm的氟塑离型膜(基材为PI材质)和卷料3CCM一起放卷，并通过放卷纠偏，使放卷的3CCM和氟塑离型膜在辊压机处重叠，并通过辊压机提供0.1MPa的辊压压力，使3CCM和氟塑离型膜贴合在一起。

(3)、辊压以后的膜经过皮秒紫外激光切割装置，在切割功率为20W，切割速度为30S/PCS的条件下进行切割得到片材。

(4)、在常温下将氟塑离型膜和3CCM剥离。

实施例4

3CCM的切割方法包括如下步骤：

(1)、在质子膜上间隔涂布催化剂层形成3CCM。

(2)、将厚度为150μm的低粘膜(基材为PET材质)和卷料3CCM一起放卷，并通过放卷纠偏，使放卷的3CCM和低粘膜在辊压机处重叠，并通过辊压机提供0.1MPa的辊压压力，使3CCM和低粘膜贴合在一起。

(3)、辊压以后的膜经过皮秒紫外激光切割装置，在切割功率为20W，切割速度为30S/PCS的条件下进行切割得到片材。

(4)、在常温下将氟塑离型膜和3CCM剥离。

对比例1

对比例1是直接使用刀模冲压切割间隔涂布的3CCM(不贴合保护膜)。

对比例2

对比例2是直接使用皮秒紫外激光切割装置切割间隔涂布的3CCM(不贴合保护膜)。

实验例1

检测实施例1-实施例4以及对比例1-对比例2提供的质子膜的溶胀率和抗拉强度；检测实施例1-实施例4提供的保护膜的溶胀率和抗拉强度。

其中，溶胀率的检测标准是：GB/T 20042.3。测试仪器是卡尺：精度不低于0.01mm，用于测试质子膜和保护膜的长度和宽度。样品制备：截取长度为10mm、宽度为10mm的方形膜作为样品。测试方法：先将样品放入温度为25±2℃的水中，保持30min；然后将其取出，用卡尺测量浸泡后的样品的尺寸，计算出溶胀率。

抗拉强度的测试标准是：GB/T 20042.3。测试仪器是拉伸试验机。样品制备：截取长度为10mm、宽度为10mm的方形膜作为样品。测试方法：将样品置于试验机的试验夹具上中，使样品纵轴与上、下夹具中心连线相重合，并将其夹紧。在拉伸速度为50-200mm/min的条件下拉伸样品，样品断裂后，读取相应的负荷值，然后计算出样品的抗拉强度。

检测实施例1-实施例4提供的保护膜的剥离力，检测环境为温度为23±1℃，相对湿度为50±5％，测试标准为GB/T2792-2014。测试条件为180°剥离力测试，测试样品宽度为25mm，测试被贴物为SUS304钢板，测试速度为300mm/min，制备试样前，试样卷、试板均在温度为23±1℃，相对湿度为50±5％的条件下放置4h以上，测试方法，保护膜贴覆钢板，测试时拉取保护膜。

通过千分尺(量程小于0.01mm)测量切割后的片材尺寸，并求取尺寸的切割精度；使用放大镜观察切割后的片材的边缘是否有毛刺和褶皱现象；得到表1。

表1 3CCM的切割方法以及切割效果

从表1的内容可以看出，选择实施例1-实施例4提供的保护膜，能够有效解决质子膜的溶胀变形和受热变形的问题，切割效果更好。

以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (10)

1.一种3CCM的切割方法，所述3CCM包括质子膜和涂布于所述质子膜表面的催化剂层，其特征在于，所述切割方法包括：

将所述3CCM与保护膜贴合在一起；

通过激光切割的方式切割所述3CCM以及与所述3CCM贴合的所述保护膜；将切割下来的所述保护膜和所述3CCM剥离；

其中，所述保护膜的溶胀率低于所述质子膜的溶胀率，所述保护膜的热稳定性高于所述质子膜的热稳定性。

2.根据权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述质子膜的TD溶胀率为3％-10％，MD溶胀率为3％-10％；所述质子膜的TD抗拉强度为20-50MPa，MD抗拉强度为20-50MPa；

所述保护膜的TD溶胀率≤1％，MD溶胀率≤1％；所述保护膜的TD抗拉强度≥80MPa，MD抗拉强度≥80MPa。

3.根据权利要求2所述的切割方法，其特征在于，所述保护膜的厚度为50-150um，所述质子膜的厚度为8-20um。

4.根据权利要求2所述的切割方法，其特征在于，所述保护膜选自PET膜、PI膜、PP膜、PE膜、PEN膜和PTFE膜中的一种；所述保护膜的贴合所述3CCM的表面设置有离型涂层或粘结涂层。

5.根据权利要求2所述的切割方法，其特征在于，所述保护膜选自静电膜、低粘膜、氟塑离型膜和失粘膜中的一种。

6.根据权利要求1-5任一项所述的切割方法，其特征在于，在温度为23±1℃，相对湿度为50±5％的条件下，所述保护膜的剥离力≤50g/25mm。

7.根据权利要求6所述的切割方法，其特征在于，所述保护膜还满足：

将切割下来的片材置于60-130℃的条件下烘烤1-3min，将所述保护膜和所述3CCM剥离以后，所述3CCM上的催化剂不沾染所述保护膜。

8.根据权利要求1-5任一项所述的切割方法，其特征在于，使所述3CCM与所述保护膜贴合在一起的方法，包括：

将所述3CCM与所述保护膜辊压贴合，辊压压力为0.05-0.2MPa。

9.根据权利要求6所述的切割方法，其特征在于，所述激光切割的方式为皮秒紫外激光切割的方式。

10.根据权利要求9所述的切割方法，其特征在于，所述皮秒紫外激光切割的切割功率为10-30W；切割速度为20-40S/PCS。