CN114188580B - 一种燃料电池膜电极制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种燃料电池膜电极制备方法，包括如下步骤：在质子交换膜上涂覆催化层，贴合阴极边框和阳极边框，贴合阴极扩散层和阳极扩散层，同步注塑阴极支撑垫、阳极支撑垫、阴极密封胶线、阳极密封胶线，裁切氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、膜电极外形。本专利的制备方法可以流水线作业，精确控制、提升产量；支撑垫保证膜电极压缩后受力均匀、压缩厚度保持一致，有效避免膜电极局部过压，提高膜电极受力的均匀性；密封胶线实现各个腔室、电化学反应活性区域的独立密封，降低膜电极长时间使用后密封失效的风险；密封胶线可以通过注塑模具一次注塑成型，不需要人工进行粘贴，避免密封胶线错位，影响密封效果。

Description

一种燃料电池膜电极制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种燃料电池膜电极制备方法。
背景技术
膜电极(membrane electrode assembly，MEA)是质子交换膜燃料电池发生电化学反应的场所，是燃料电池技术的核心环节。膜电极是质子交换膜燃料电池的“芯片”，其成本占燃料电池电堆总成本60％以上。常规膜电极由质子交换膜、催化层、气体扩散层构成，现有工艺制作的膜电极存在以下问题：
1、由于膜电极压缩距离以及受力要求较高，即使在组装燃料电池过程中已经通过实验进行了封装力验证，也极易造成膜电极局部过压，导致膜电极结构受损和气体传输受限，影响燃料电池寿命和性能；
2、阴阳极密封胶线在燃料电池封装压缩变形过程中极易出现错位，导致密封失效；
3、由于膜电极边框较薄，以及组装工艺偏差，极易造成单电池间出现短路，导致电池失效。
因此，现有膜电极制作方法亟需改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池膜电极制备方法，以解决现有方法加工的膜电极局部易过压、密封失效，导致燃料电池堆失效和影响燃料电池使用寿命等问题。
本发明提供的燃料电池膜电极制备方法，依次包括如下步骤：
S1、在质子交换膜的上下面同步涂覆阴极催化层和阳极催化层；
S2、在阴极催化层边沿以及没有涂覆阴极催化层的质子交换膜上、阳极催化层边沿以及没有涂覆阳极催化层的质子交换膜上同步贴合阴极边框和阳极边框；
S3、在阴极催化层和阴极边框内边沿以及阳极催化层和阳极边框内边沿同步贴合阴极扩散层和阳极扩散层；
S4、在阴极边框和阳极边框上同步注塑阴极支撑垫和阳极支撑垫，在注塑阴极支撑垫和阳极支撑垫的同时，在阴极边框氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口的边沿位置、阴极扩散层的边沿以及在阳极边框氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口的边沿位置、阳极扩散层同步注塑阴极密封胶线和阳极密封胶线；
S5、对氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口以及膜电极的外形进行裁切，完成膜电极的制作。
优选的，步骤4所述阴极支撑垫、阳极支撑垫和阴极密封胶线、阳极密封胶线的注塑方法为：首先，通过注塑模具将阴极边框和阳极边框的位置压合，然后，对内部需要进行注塑的腔室抽真空，将经过改性的液态硅胶通过注塑口射入真空腔室；最后，对射入的液态硅胶进行加热固化，当整体硅胶固化率达到95％以上，结束加热固化。
优选的，注塑模具压合所述阴极边框和阳极边框的压力为1-3Mpa。
优选的，所述注塑模具抽真空的压力为-0.1Mpa，抽真空时间为5-30s。
优选的，所述液态硅胶的加热固化温度为80-150℃。
优选的，所述步骤3贴合阴极扩散层和阳极扩散层的方法为：首先，真空吸附阴极扩散层和阳极扩散层；然后，在贴合阴极扩散层和阳极扩散层的相应位置进行胶水底涂；最后，将阴极扩散层、阳极扩散层通过一定压力贴合到阴极催化层和阴极边框内边沿以及阳极催化层和阳极边框内边沿上。
优选的，贴合所述阴极扩散层和阳极扩散层的压力为0.2-1.0Mpa。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的燃料电池膜电极制备方法整体工艺过程，均可采用自动化操作，质量稳定可控，成品率高；通过一次性注塑形成支撑垫结构，支撑垫用于保证膜电极压缩后受力均匀、压缩厚度保持一致，可以有效避免膜电极局部过压，提高膜电极受力的均匀性；通过一次性注塑形成密封胶线，实现各个腔室、电化学反应活性区域的独立密封，降低膜电极长时间使用后密封失效的风险，而且密封胶线不需要人工进行粘贴，避免密封胶线错位，影响密封效果。
附图说明
图1为本发明制备方法的流程示意图；
图2为通过本发明制备方法制备的膜电极的平面示意图；
图3为图2中A-A处剖面示意图；
图4为图3中a处放大图；
图5为图3中b处放大图；
图6为双极板和膜电极堆叠的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1、2，本实施例提供的燃料电池膜电极制备方法的流程如图1所示，通过本实施例的燃料电池膜电极制备方法制备的膜电极100如图2所示，所述方法依次包括如下步骤：
S1、采用卷对卷涂布工艺，在质子交换膜001的上下面同步涂覆阴极催化层002和阳极催化层003(图1中未示出)。
S2、采用卷对卷边框贴合工艺，在阴极催化层002边沿以及没有涂覆阴极催化层002的质子交换膜001上、阳极催化层003边沿以及没有涂覆阳极催化层003的质子交换膜001上同步贴合阴极边框006和阳极边框007，制作成“三合一组件”。
S3、在阴极催化层002和阴极边框006内边沿以及阳极催化层003和阳极边框007内边沿同步贴合阴极扩散层004和阳极扩散层005(图1中未示出)，制作成“五合一组件”；贴合阴极扩散层004和阳极扩散层005的具体方法为：首先，通过真空吸附阴极扩散层004和阳极扩散层005；然后，在“三合一组件”贴合阴极扩散层004和阳极扩散层005的相应位置进行胶水底涂；最后，将阴极扩散层004、阳极扩散层005通过一定压力贴合到阴极催化层002和阴极边框006内边沿以及阳极催化层003和阳极边框007内边沿上。贴合所述阴极扩散层004和阳极扩散层005的压力优选0.2-1.0Mpa，贴合阴极扩散层004和阳极扩散层005可以采用模压贴合模具111进行。
S4、在阴极边框006和阳极边框007上同步注塑阴极支撑垫008和阳极支撑垫009(图1中未示出)，在注塑阴极支撑垫008和阳极支撑垫009的同时，在阴极边框006氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口的边沿位置、阴极扩散层004的边沿以及在阳极边框007氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口的边沿位置、阳极扩散层005同步注塑阴极密封胶线010和阳极密封胶线011。
所述阴极支撑垫008、阳极支撑垫009和阴极密封胶线010、阳极密封胶线011的注塑方法为：首先，通过注塑模具112将阴极边框006和阳极边框007的位置压合，然后，对注塑模具112内部需要进行注塑的腔室抽真空，将经过改性的液态硅胶通过注塑口射入真空腔室，射入压力小于合膜压力，射入时间通过射入流量进行判断；最后，对射入的液态硅胶进行加热固化，当整体硅胶固化率达到95％以上，结束加热固化，注塑模具112打开。
S5、采用裁切设备对氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口以及膜电极的外形进行裁切，完成膜电极100的制作。制作成的膜电极100的结构如图3-5所示。本实施例的方法步骤4通过同步注塑形成支撑垫和密封胶线结构，支撑垫用于保证膜电极100压缩后受力均匀、压缩厚度保持一致，可以有效避免膜电极100局部过压，提高膜电极100受力的均匀性；密封胶线实现各个腔室、电化学反应活性区域的独立密封，降低膜电极100长时间使用后密封失效的风险；密封胶线通过注塑模具112一次注塑成型，不需要人工进行粘贴，避免密封胶线错位，影响密封效果。本实施例的燃料电池膜电极制备方法可以流水线作业，生产量远远提高，成品率高。
作为本实施例的一个优选实施方式，步骤4所述注塑模具112压合所述阴极边框006和阳极边框007的压力为1-3Mpa。
作为本实施例的一个优选实施方式，步骤4所述注塑模具112抽真空的压力为-0.1Mpa，抽真空时间为5-30s。
作为本实施例的一个优选实施方式，步骤4所述液态硅胶的加热固化温度为80-150℃，加热时间根据硅胶的固化温度和时间进行综合计算。
如图6所示，双极板101与制备好的膜电极100依次堆叠，堆叠工艺简单，且不易错位，有效保证燃料电池电堆的性能和使用寿命。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种燃料电池膜电极制备方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
S1、在质子交换膜的上下面同步涂覆阴极催化层和阳极催化层；
S2、在阴极催化层边沿以及没有涂覆阴极催化层的质子交换膜上、阳极催化层边沿以及没有涂覆阳极催化层的质子交换膜上同步贴合阴极边框和阳极边框；
S3、在阴极催化层和阴极边框内边沿以及阳极催化层和阳极边框内边沿同步贴合阴极扩散层和阳极扩散层；所述贴合阴极扩散层和阳极扩散层的方法为：首先，真空吸附阴极扩散层和阳极扩散层；然后，在贴合阴极扩散层和阳极扩散层的相应位置进行胶水底涂；最后，将阴极扩散层、阳极扩散层通过一定压力贴合到阴极催化层和阴极边框内边沿以及阳极催化层和阳极边框内边沿上；贴合所述阴极扩散层和阳极扩散层采用模压贴合模具进行；
S4、在阴极边框和阳极边框上同步注塑阴极支撑垫和阳极支撑垫，在注塑阴极支撑垫和阳极支撑垫的同时，在阴极边框氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口的边沿位置、阴极扩散层的边沿以及在阳极边框氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口的边沿位置、阳极扩散层同步注塑阴极密封胶线和阳极密封胶线；
S5、对氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口以及膜电极的外形进行裁切，完成膜电极的制作。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极制备方法，其特征在于，步骤4所述阴极支撑垫、阳极支撑垫和阴极密封胶线、阳极密封胶线的注塑方法为：首先，通过注塑模具将阴极边框和阳极边框的位置压合，然后，对内部需要进行注塑的腔室抽真空，将经过改性的液态硅胶通过注塑口射入真空腔室；最后，对射入的液态硅胶进行加热固化，当整体硅胶固化率达到95％以上，结束加热固化。
3.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极制备方法，其特征在于：注塑模具压合所述阴极边框和阳极边框的压力为1-3Mpa。
4.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极制备方法，其特征在于：所述注塑模具抽真空的压力为-0 .1Mpa，抽真空时间为5-30s。
5.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极制备方法，其特征在于：所述液态硅胶的加热固化温度为80-150℃。
6.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极制备方法，其特征在于：贴合所述阴极扩散层和阳极扩散层的压力为0 .2-1 .0Mpa。
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