CN115472879A - 一种新型膜电极结构封装方法 - Google Patents

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陈伟
陶亮亮
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Abstract

本发明属于燃烧电极领域，具体涉及一种新型膜电极结构封装方法，所述膜电极封装结构中的CCM位于带凹陷的单层大边框内，且通过单层大边框和带胶层小边框的上下夹持，固定在单层大边框内，将CCM完全固定，所述单层大边框上层设置阳极气体扩散层，下层设置阴极气体扩散层。本发明解决了现有封装技术的缺陷，在生产过程中减少了部分定位工装的使用，有效的降低了工艺难度与繁琐度，同时利用较厚大边框大大降低了边框气泡和褶皱的产生。

Description

一种新型膜电极结构封装方法
技术领域
本发明属于燃烧电极领域，具体涉及一种新型膜电极结构封装方法。
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。当前的膜电极采用七合一封装方法：首先在质子交换膜的两侧分别喷涂阳极催化剂层和阴极催化层，制备出CCM；然后带胶的阴极边框、阳极边框将CCM密封起来；最后将阴阳极气体扩散层粘接在边框上形成膜电极。但是该工艺存在定位复杂，工艺较为繁琐，难以大规模批量化生产。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种新型膜电极结构封装方法，解决了现有封装技术的缺陷，在生产过程中减少了部分定位工装的使用，有效的降低了工艺难度与繁琐度，同时利用较厚大边框大大降低了边框气泡和褶皱的产生。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种新型膜电极结构封装方法，包括：
步骤1，利用质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化层制备CCM；使用模具直接压制出带凹陷的单层大边框；使用模具直接裁剪出一片带胶层小边框；裁剪出阴极气体扩散层和阳极气体扩散层；所述胶层采用热塑性材料或者热固性材料，所述热塑性材料采用聚乙烯、聚丙烯、芳香族聚酰胺中的一种，所述热固性材料采用环氧树脂或硅树脂；
步骤2，将CCM放置在单层大边框内，并在CCM上放置带胶层小边框，热压在一起，形成大边框；所述热压时间为0.1－0.3min，压力为0.5－0.8MPa，温度为120－130℃；热压处理能够促使小边框胶层形成一定的流动性，对CCM和大边框的缝隙形成封装，减少外侧死体积，有助于整个膜电极的气体通透性；
步骤3，将大边框上下表面放置阴极气体扩散层和阳极气体扩散层，且所述阳极气体扩散层位于带胶层小边框上面，得到膜电极封装结构。
所述膜电极封装结构中的CCM位于带凹陷的单层大边框内，且通过单层大边框和带胶层小边框的上下夹持，固定在单层大边框内，将CCM完全固定，所述单层大边框上层设置阳极气体扩散层，下层设置阴极气体扩散层；在使用过程中，CCM与大边框下表面形成气体通道缓冲区，确保气体从阴极气体扩散层连通至CCM下表面。
进一步的，所述CCM与阳极气体扩散层和阴极气体扩散层间均存在缝隙层，阳极气体扩散层与CCM间形成稳定的阳极缝隙层，缝隙层的厚度为小边框的厚度，所述阴极气体扩散层与CCM间形成稳定的阴极缝隙层，所述缝隙层的存在能够在CCM层表面形成稳定的缓冲带，当气体经由阳极气体扩散层或者阴极气体扩散层进入缓冲带时，气体能够与CCM形成稳定与全面的接触，并不存在局部遮挡的问题，提供了反应均匀性，同时缓冲带具有气体浓度缓冲效果，当扩散层或者外部气源形成变化时，内部的缓冲层浓度能够形成稳定的过渡，达到缓慢变化的效果，增加膜电极的抗冲变性。与此同时，CCM与扩散层的分离能够有效的提升了CCM的稳定性，减少CCM与其他材料的连接，防止CCM与扩散层在长期使用中造成的活性变质黏连，造成CCM活性下降的问题。
再进一步的，所述阳极缝隙层与阴极缝隙处结构相同；相同结构的结构能够形成阳极与阴极的相同缓冲结构，提高可控性，减少尺寸带来的波动差。
进一步的，所述小边框上表面与单层大边框上表面齐平；单层大边框上表面与阳极气体扩散层直接连接，利用齐平结构的小边框与单层大边框的平整性，减少了阳极的死体积缝隙。
所述CCM由亲水性催化层和改性全氟磺酸质子交换膜组成而成，即，将亲水性催化浆料转移至改性全氟磺酸质子交换膜两侧，形成CCM。
所述改性全氟磺酸质子交换膜采用二氧化硅改性全氟磺酸质子交换膜，且所述二氧化硅改性全氟磺酸质子交换膜的制备方法，包括：a1，将四乙氧基硅烷加入至无水乙醚中形成60g/L的溶解液；a2，将全氟磺酸质子交换膜表面喷雾盐酸溶液形成液膜，并静置2h，烘干得到活化的全氟磺酸质子交换膜，所述盐酸溶液的pH为5，喷雾量是6mL/cm2，该喷雾过程中，盐酸溶液喷雾的液膜均匀分布在全氟磺酸质子交换膜表面，达到通透的效果，并且在静置过程中促进磺酸根的完全活化，a3，将活化后的全氟磺酸质子交换膜浸泡至溶解液中，并静置2h，去除后烘干，得到初改性的全氟磺酸质子交换膜，浸泡温度为5℃，烘干温度为50℃；a4，将初改性的全氟磺酸质子交换膜在潮湿氛围下静置2h，然后恒温热处理，得到纳米二氧化硅改性的全氟磺酸质子交换膜，所述潮湿氛围为氮气和水蒸气的混合氛围，且水蒸气体积占比为5％，静置温度为40℃，恒温热处理的温度为100℃，时间为4h，该工艺利用硅酸乙酯的无水乙醚溶液形成液膜，并以温度去除无水乙醚，得到硅酸乙酯附着的全氟磺酸质子交换膜，后经水解反应和热处理，得到经过原位反应加载的纳米二氧化硅改性全氟磺酸质子交换膜。其中，所述全氟磺酸质子交换膜主要成分为四氟乙烯单体和带有磺酸基的全氟乙烯基醚单体的共聚物。
所述亲水催化剂浆料由亲水型催化剂、全氟磺酸树脂溶液和分散剂以质量比为1：1：0.1称量，并通过分散方式配制成成分均匀的浆料，且所述亲水性催化剂以羟基改性的碳材料为载体的铂碳催化剂，且铂碳催化剂的铂元素占比为6％，分散剂采用异丙醇，全氟磺酸树脂的质量浓度为6％。
上述方法制备的CCM中铂担量为0.4mg/cm2。
该CCM利用亲水性催化剂形成优异的水亲和力，构建成优质的质子传输网络，达到提升CCM的功能性，同时利用CCM中的纳米二氧化硅的亲水性，实现交换膜表面的自制传递，有助于水分子的扩散，达到优异的催化效果。与此同时，CCM自身的亲水性与扩散膜间的缝隙结构，保证了CCM的水分子散失问题减少，能够实现无增湿条件下的自身水平衡能力。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.本发明解决了现有封装技术的缺陷，在生产过程中减少了部分定位工装的使用，有效的降低了工艺难度与繁琐度，同时利用较厚大边框大大降低了边框气泡和褶皱的产生。
2.本发明的各部分零件以及成品组装均可使用自动化设备生产，可以提高生产效率。
3.本发明利用带胶层小边框将CCM固定在大边框内，形成自然定位效果效果，减少了定位工序的繁琐，有效的提升工艺效率。
附图说明
图1是本发明的膜电极封装结构。
具体实施方式
结合图1，详细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1
如图1所示，一种新型膜电极结构，所述CCM位于带凹陷的单层大边框内，且通过单层大边框和带胶层小边框的上下夹持，固定在单层大边框内，将CCM完全固定，所述单层大边框上层设置阳极气体扩散层，下层设置阴极气体扩散层；在使用过程中，CCM与大边框下表面形成气体通道缓冲区，确保气体从阴极气体扩散层连通至CCM下表面。
所述CCM由亲水性催化层和改性全氟磺酸质子交换膜组成而成，即，将亲水性催化浆料转移至改性全氟磺酸质子交换膜两侧，形成CCM。
所述改性全氟磺酸质子交换膜采用二氧化硅改性全氟磺酸质子交换膜，且所述二氧化硅改性全氟磺酸质子交换膜的制备方法，包括：a1，将四乙氧基硅烷加入至无水乙醚中形成60g/L的溶解液；a2，将全氟磺酸质子交换膜表面喷雾盐酸溶液形成液膜，并静置2h，烘干得到活化的全氟磺酸质子交换膜，所述盐酸溶液的pH为5，喷雾量是6mL/cm2，a3，将活化后的全氟磺酸质子交换膜浸泡至溶解液中，并静置2h，去除后烘干，得到初改性的全氟磺酸质子交换膜，浸泡温度为5℃，烘干温度为50℃；a4，将初改性的全氟磺酸质子交换膜在潮湿氛围下静置2h，然后恒温热处理，得到纳米二氧化硅改性的全氟磺酸质子交换膜，所述潮湿氛围为氮气和水蒸气的混合氛围，且水蒸气体积占比为5％，静置温度为40℃，恒温热处理的温度为100℃，时间为4h，其中，所述全氟磺酸质子交换膜主要成分为四氟乙烯单体和带有磺酸基的全氟乙烯基醚单体的共聚物。所述亲水催化剂浆料由亲水型催化剂、全氟磺酸树脂溶液和分散剂以质量比为1：1：0.1称量，并通过分散方式配制成成分均匀的浆料，且所述亲水性催化剂以羟基改性的碳材料为载体的铂碳催化剂，且铂碳催化剂的铂元素占比为6％，分散剂采用异丙醇，全氟磺酸树脂的质量浓度为6％。CCM中铂担量为0.4mg/cm2。
所述CCM与阳极气体扩散层和阴极气体扩散层间均存在缝隙层，阳极气体扩散层与CCM间形成稳定的阳极缝隙层，缝隙层的厚度为小边框的厚度，所述阴极气体扩散层与CCM间形成稳定的阴极缝隙层，所述缝隙层的存在能够在CCM层表面形成稳定的缓冲带，所述阳极缝隙层与阴极缝隙处结构相同。
所述小边框上表面与单层大边框上表面齐平。
所述封装方法，包括
步骤1，利用质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化层制备CCM；使用模具直接压制出带凹陷的单层大边框；使用模具直接裁剪出一片带胶层小边框；裁剪出阴极气体扩散层和阳极气体扩散层；所述胶层采用聚乙烯；
步骤2，将CCM放置在单层大边框内，并在CCM上放置带胶层小边框，热压在一起，形成大边框；所述热压时间为0.1min，压力为0.5MPa，温度为120℃；
步骤3，将大边框上下表面放置阴极气体扩散层和阳极气体扩散层，且所述阳极气体扩散层位于带胶层小边框上面，得到膜电极封装结构。
实施例2
一种新型膜电极结构，所述CCM位于带凹陷的单层大边框内，且通过单层大边框和带胶层小边框的上下夹持，固定在单层大边框内，将CCM完全固定，所述单层大边框上层设置阳极气体扩散层，下层设置阴极气体扩散层；在使用过程中，CCM与大边框下表面形成气体通道缓冲区，确保气体从阴极气体扩散层连通至CCM下表面。
所述CCM由亲水性催化层和改性全氟磺酸质子交换膜组成而成，即，将亲水性催化浆料转移至改性全氟磺酸质子交换膜两侧，形成CCM。
所述改性全氟磺酸质子交换膜采用二氧化硅改性全氟磺酸质子交换膜，且所述二氧化硅改性全氟磺酸质子交换膜的制备方法，包括：a1，将四乙氧基硅烷加入至无水乙醚中形成60g/L的溶解液；a2，将全氟磺酸质子交换膜表面喷雾盐酸溶液形成液膜，并静置2h，烘干得到活化的全氟磺酸质子交换膜，所述盐酸溶液的pH为5，喷雾量是6mL/cm2，a3，将活化后的全氟磺酸质子交换膜浸泡至溶解液中，并静置2h，去除后烘干，得到初改性的全氟磺酸质子交换膜，浸泡温度为5℃，烘干温度为50℃；a4，将初改性的全氟磺酸质子交换膜在潮湿氛围下静置2h，然后恒温热处理，得到纳米二氧化硅改性的全氟磺酸质子交换膜，所述潮湿氛围为氮气和水蒸气的混合氛围，且水蒸气体积占比为5％，静置温度为40℃，恒温热处理的温度为100℃，时间为4h，其中，所述全氟磺酸质子交换膜主要成分为四氟乙烯单体和带有磺酸基的全氟乙烯基醚单体的共聚物。所述亲水催化剂浆料由亲水型催化剂、全氟磺酸树脂溶液和分散剂以质量比为1：1：0.1称量，并通过分散方式配制成成分均匀的浆料，且所述亲水性催化剂以羟基改性的碳材料为载体的铂碳催化剂，且铂碳催化剂的铂元素占比为6％，分散剂采用异丙醇，全氟磺酸树脂的质量浓度为6％。CCM中铂担量为0.4mg/cm2。
所述CCM与阳极气体扩散层和阴极气体扩散层间均存在缝隙层，阳极气体扩散层与CCM间形成稳定的阳极缝隙层，缝隙层的厚度为小边框的厚度，所述阴极气体扩散层与CCM间形成稳定的阴极缝隙层，所述缝隙层的存在能够在CCM层表面形成稳定的缓冲带，所述阳极缝隙层与阴极缝隙处结构相同。
所述小边框上表面与单层大边框上表面齐平。
所述封装方法，包括
步骤1，利用质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化层制备CCM；使用模具直接压制出带凹陷的单层大边框；使用模具直接裁剪出一片带胶层小边框；裁剪出阴极气体扩散层和阳极气体扩散层；所述胶层采用聚丙烯；
步骤2，将CCM放置在单层大边框内，并在CCM上放置带胶层小边框，热压在一起，形成大边框；所述热压时间为0.3min，压力为0.8MPa，温度为130℃；
步骤3，将大边框上下表面放置阴极气体扩散层和阳极气体扩散层，且所述阳极气体扩散层位于带胶层小边框上面，得到膜电极封装结构。
实施例3
一种新型膜电极结构，所述CCM位于带凹陷的单层大边框内，且通过单层大边框和带胶层小边框的上下夹持，固定在单层大边框内，将CCM完全固定，所述单层大边框上层设置阳极气体扩散层，下层设置阴极气体扩散层；在使用过程中，CCM与大边框下表面形成气体通道缓冲区，确保气体从阴极气体扩散层连通至CCM下表面。
所述CCM由亲水性催化层和改性全氟磺酸质子交换膜组成而成，即，将亲水性催化浆料转移至改性全氟磺酸质子交换膜两侧，形成CCM。
所述改性全氟磺酸质子交换膜采用二氧化硅改性全氟磺酸质子交换膜，且所述二氧化硅改性全氟磺酸质子交换膜的制备方法，包括：a1，将四乙氧基硅烷加入至无水乙醚中形成60g/L的溶解液；a2，将全氟磺酸质子交换膜表面喷雾盐酸溶液形成液膜，并静置2h，烘干得到活化的全氟磺酸质子交换膜，所述盐酸溶液的pH为5，喷雾量是6mL/cm2，a3，将活化后的全氟磺酸质子交换膜浸泡至溶解液中，并静置2h，去除后烘干，得到初改性的全氟磺酸质子交换膜，浸泡温度为5℃，烘干温度为50℃；a4，将初改性的全氟磺酸质子交换膜在潮湿氛围下静置2h，然后恒温热处理，得到纳米二氧化硅改性的全氟磺酸质子交换膜，所述潮湿氛围为氮气和水蒸气的混合氛围，且水蒸气体积占比为5％，静置温度为40℃，恒温热处理的温度为100℃，时间为4h，其中，所述全氟磺酸质子交换膜主要成分为四氟乙烯单体和带有磺酸基的全氟乙烯基醚单体的共聚物。所述亲水催化剂浆料由亲水型催化剂、全氟磺酸树脂溶液和分散剂以质量比为1：1：0.1称量，并通过分散方式配制成成分均匀的浆料，且所述亲水性催化剂以羟基改性的碳材料为载体的铂碳催化剂，且铂碳催化剂的铂元素占比为6％，分散剂采用异丙醇，全氟磺酸树脂的质量浓度为6％。CCM中铂担量为0.4mg/cm2。
所述CCM与阳极气体扩散层和阴极气体扩散层间均存在缝隙层，阳极气体扩散层与CCM间形成稳定的阳极缝隙层，缝隙层的厚度为小边框的厚度，所述阴极气体扩散层与CCM间形成稳定的阴极缝隙层，所述缝隙层的存在能够在CCM层表面形成稳定的缓冲带，所述阳极缝隙层与阴极缝隙处结构相同。
所述小边框上表面与单层大边框上表面齐平。
所述封装方法，包括
步骤1，利用质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化层制备CCM；使用模具直接压制出带凹陷的单层大边框；使用模具直接裁剪出一片带胶层小边框；裁剪出阴极气体扩散层和阳极气体扩散层；所述胶层采用硅树脂；
步骤2，将CCM放置在单层大边框内，并在CCM上放置带胶层小边框，热压在一起，形成大边框；所述热压时间为0.2min，压力为0.6MPa，温度为125℃；
步骤3，将大边框上下表面放置阴极气体扩散层和阳极气体扩散层，且所述阳极气体扩散层位于带胶层小边框上面，得到膜电极封装结构。
将实施例1－3的膜电极封装结构为测试例，以常规七合一膜电极为对比例，具体的封装方法为：首先在质子交换膜的两侧分别喷涂阳极催化剂层和阴极催化层，制备出CCM；然后带胶的阴极边框、阳极边框将CCM密封起来；最后将阴阳极气体扩散层粘接在边框上形成膜电极。
实施例1－3的对比例的膜电极在相同的电压和电流密度下，功率密度基本相同，实施例1－3的膜电极略优于对比例，功率密度略提高了3％左右。与此同时，实施例1－3的生产效率提升了10％以上，且合格率更高。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型膜电极结构封装方法，其特征在于：包括：
步骤1，利用质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化层制备CCM；使用模具直接压制出带凹陷的单层大边框；使用模具直接裁剪出一片带胶层小边框；裁剪出阴极气体扩散层和阳极气体扩散层；
步骤2，将CCM放置在单层大边框内，并在CCM上放置带胶层小边框，热压在一起，形成大边框；
步骤3，将大边框上下表面放置阴极气体扩散层和阳极气体扩散层，且所述阳极气体扩散层位于带胶层小边框上面，得到膜电极封装结构。
2.根据权利要求1所述的新型膜电极结构封装方法，其特征在于：所述胶层采用热塑性材料或者热固性材料。
3.根据权利要求2所述的新型膜电极结构封装方法，其特征在于：所述热塑性材料采用聚乙烯、聚丙烯、芳香族聚酰胺中的一种。
4.根据权利要求2所述的新型膜电极结构封装方法，其特征在于：所述热固性材料采用环氧树脂或硅树脂。
5.根据权利要求1所述的新型膜电极结构封装方法，其特征在于：所述热压时间为0.1－0.3min，压力为0.5－0.8MPa，温度为120－130℃。
6.根据权利要求1所述的新型膜电极结构封装方法，其特征在于：所述膜电极封装结构中的CCM位于带凹陷的单层大边框内，且通过单层大边框和带胶层小边框的上下夹持，固定在单层大边框内，将CCM完全固定，所述单层大边框上层设置阳极气体扩散层，下层设置阴极气体扩散层。
7.根据权利要求6所述的新型膜电极结构封装方法，其特征在于：所述CCM与阳极气体扩散层和阴极气体扩散层间均存在缝隙层，阳极气体扩散层与CCM间形成稳定的阳极缝隙层，所述阴极气体扩散层与CCM间形成稳定的阴极缝隙层。
8.根据权利要求7所述的新型膜电极结构封装方法，其特征在于：所述阳极缝隙层与阴极缝隙处结构相同。
9.根据权利要求6所述的新型膜电极结构封装方法，其特征在于：所述小边框上表面与单层大边框上表面齐平。
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