CN115799583A - 一种膜电极制备方法、膜电极及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膜电极制备方法、膜电极及燃料电池，属于燃料电池技术领域。本发明的膜电极制备方法，将外边框与内边框贴合形成一体边框后，再与CCM进行贴合，相比于现有技术，能有效缩短生产时间，提高了生产效率，有利于实现膜电极的规模化生产，降低生产成本；同时，将一体边框与CCM先进行预压合，之后再进行主压合，有利于避免出现气泡和褶皱，提高膜电极的品质。

Description

一种膜电极制备方法、膜电极及燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种膜电极制备方法、膜电极及燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池电堆是由多个单体电池以串联的形式层叠组合而成。单体电池电极连接时，必须要有严格的密封，密封不良会导致氢气泄露，降低氢的使用率，影响燃料电池的效率，为了防止反应物氢气、空气及冷却液泄露，单电池之间设计有相应的密封结构，密封结构的可靠性直接决定了燃料电池的使用寿命。泄漏严重时会导致电池无法工作，影响电池寿命。

现有技术中，质子交换膜燃料电池电堆密封方式主要采用双极板与膜电极挤压橡胶密封材料，形成接触密封。目前，膜电极的主流封装技术为两层边框与催化剂涂覆膜(CCM)在边缘贴合形成五层组件以阻隔阴、阳极气体的窜漏，然后将阴阳极气体扩散层粘合在边框上，最终形成七层膜电极，尽管采用两层边框的技术可以实现较好的密封性，但因气体扩散层与边框之间的台阶差会对双极板密封的匹配设计带来更高的要求。

为了使膜电极与双极板之间的密封具有更高的兼容性和适配性，也衍生出了四层边框的膜电极结构，通过外侧的两层边框弥补了气体扩散层(GDL)与内侧的两层边框的台阶差，提高了膜电极的平整度，进而可以更好的保证膜电极与双极板之间的密封性。但目前，四层边框结构的膜电极，在制备过程中，需要先将内侧的两层边框贴合于CCM的两侧形成五层组件，再将外侧的两层边框贴合于五层组件的两侧，制备难度大，工艺复杂，无法实现批量化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膜电极制备方法、膜电极及燃料电池，可提高膜电极生产的效率与质量，有利于实现膜电极的规模化生产，降低生产成本。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

第一方面，提供了一种膜电极制备方法，包括如下步骤：

对外边框进行冲切，以在所述外边框上切出外侧活性区；

将冲切后的所述外边框粘贴并压合于内边框的外侧形成一体边框；

对所述一体边框进行冲切，在所述内边框上切出与所述外侧活性区对应设置的内侧活性区；

将两个所述一体边框分别粘贴并预压合于CCM的两侧，并使所述CCM两侧的催化层分别对准两个所述一体边框的所述内侧活性区；

对预压合后的所述CCM与两个所述一体边框进行主压合；

将阳极气体扩散层和阴极气体扩散层分别粘贴并压合于两个所述一体边框的所述外侧活性区内。

作为膜电极制备方法的可选方案，所述主压合的压合压力高于所述预压合的压合压力。

作为膜电极制备方法的可选方案，在将两个所述一体边框分别粘贴并预压合于CCM的两侧的步骤中：

所述预压合采用热辊压的方式。

作为膜电极制备方法的可选方案，在对预压合后的所述CCM与两个所述一体边框进行主压合的步骤中：

所述主压合采用热辊压的方式。

作为膜电极制备方法的可选方案，在沿垂直于所述CCM的方向，所述内侧活性区在所述CCM上的投影重叠于所述外侧活性区在所述CCM上的投影内。

作为膜电极制备方法的可选方案，所述内侧活性区与对应的所述外侧活性区的形状相同并正对设置，且所述内侧活性区的任意一个边的边长较对应的所述外侧活性区对应边的边长短1.5mm-5mm。

作为膜电极制备方法的可选方案，在冲切所述外侧活性区前，所述外边框采用卷料形式来料；和/或，

在切出所述外侧活性区后，所述外边框采用卷料形式收卷；和/或，

在与所述外边框粘贴前，所述内边框采用卷料形式来料；和/或，

在切出所述内侧活性区后，所述一体边框采用卷料形式收卷。

作为膜电极制备方法的可选方案，所述外边框包括外边框本体及粘贴于所述外边框本体的外边框背膜；

在对外边框进行冲切，以在所述外边框上切出外侧活性区的步骤中：

所述外边框本体切断并形成外侧活性区，且所述外边框背膜不切断。

作为膜电极制备方法的可选方案，所述外边框的厚度不小于所述内边框的厚度。

作为膜电极制备方法的可选方案，在将冲切后的所述外边框粘贴并压合于内边框的外侧形成一体边框的步骤中：

所述压合采用热辊压的方式。

作为膜电极制备方法的可选方案，所述阳极气体扩散层采用胶水粘贴于对应的所述一体边框的所述外侧活性区内；和/或，

所述阴极气体扩散层采用胶水粘贴于对应的所述一体边框的所述外侧活性区内。

第二方面，提供了一种膜电极，采用如上任一项所述的膜电极制备方法制成。

第三方面，提供了一种燃料电池，包括如上所述的膜电极。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的膜电极制备方法，将外边框与内边框贴合形成一体边框后，再与CCM进行贴合，相比于现有技术，能有效缩短生产时间，提高了生产效率，有利于实现膜电极的规模化生产，降低生产成本；同时，将一体边框与CCM先进行预压合，之后再进行主压合，有利于避免出现气泡和褶皱，提高膜电极的品质。

本发明的膜电极及燃料电池，通过应用上述膜电极制备方法，提高了膜电极的品质。

附图说明

图1为本发明实施例中膜电极的结构示意图；

图2为图1的A部放大图；

图3为本发明实施例中膜电极制备方法的流程图；

图4为本发明实施例中一体边框的结构示意图；

图5为本发明实施例中两个一体边框分别贴合于CCM两侧的结构示意图；

图6为本发明实施例中阳极气体扩散层及阴极气体扩散层与七层组件粘贴前的结构示意图。

附图标记：

1、CCM；11、质子交换膜；12、阳极催化层；13、阴极催化层；2、一体边框；21、内边框；211、内侧活性区；22、外边框；221、外侧活性区；31、阳极气体扩散层；32、阴极气体扩散层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-2所示，本实施例提供了一种膜电极，膜电极包括CCM1、两个内边框21、两个外边框22、阳极气体扩散层31和阴极气体扩散层32，CCM1包括质子交换膜11及分别设于质子交换膜11两侧的阳极催化层12和阴极催化层13，两个内边框21均开设有内侧活性区211，两个外边框22均开设有外侧活性区221，两个内边框21贴合于CCM1的两侧，且CCM1的阳极催化层12和阴极催化层13分别与两个内边框21的内侧活性区211对应设置，两个外边框22分别贴合于两个内边框21的外侧，且两个外边框22的外侧活性区221分别与两个内边框21的内侧活性区211一一对应设置，阳极气体扩散层31与阴极气体扩散层32分别粘贴于两个外边框22的外侧活性区221内。

如此设置，可通过两个外边框22弥补了气体扩散层(GDL)与两个内边框21的台阶差，提高了膜电极的平整度，进而可以更好的保证膜电极与双极板之间的密封性，使膜电极与双极板之间的密封具有更高的兼容性和适配性。

但目前，四层边框结构的膜电极，在制备过程中，需要先将两个内边框21分别贴合于CCM1的两侧形成五层组件，再将两个外边框22分别贴合于五层组件的两侧形成七层组件，制备难度大，工艺复杂，无法实现批量化生产。

为了解决上述问题，如图3-6所示，本实施例还提供了一种膜电极制备方法，用于制备上述膜电极，包括如下步骤：

S1、对外边框22进行冲切，以在外边框22上切出外侧活性区221；

S2、将冲切后的外边框22粘贴并压合于内边框21的外侧形成一体边框2；

S3、对一体边框2进行冲切，在内边框21上切出与外侧活性区221对应设置的内侧活性区211；

S4、将两个一体边框2分别粘贴并预压合于CCM1的两侧，并使CCM1两侧的催化层分别对准两个一体边框2的内侧活性区211；

S5、对预压合后的CCM1与两个一体边框2进行主压合；

S6、将阳极气体扩散层31和阴极气体扩散层32分别粘贴并压合于两个一体边框2的外侧活性区221内。

本实施例的膜电极制备方法，将外边框22与内边框21贴合形成一体边框2后，再与CCM1进行贴合，相比于现有技术，能有效缩短生产时间，提高了生产效率，有利于实现膜电极的规模化生产，降低生产成本；同时，将一体边框2与CCM1先进行预压合，之后再进行主压合，有利于避免出现气泡和褶皱，提高膜电极的品质。

需要说明的是，外边框22与内边框21均包括边框本体、设于边框本体一侧的胶层和粘贴于胶层的背膜，本实施例中，胶层采用热熔胶，边框本体采用聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，背膜采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。外边框22或内边框21的总厚度一般为30μm-90μm，示例性地，外边框22或内边框21的总厚度可以为30μm-90μm之间的任一值，比如30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm或90μm；其中背膜厚度≥75μm，胶层厚度为10μm-20μm，示例性地，胶层厚度可以为10μm-20μm之间的任一值，比如10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或20μm；边框本体厚度为20μm-70μm，示例性地，边框本体厚度可以为20μm-70μm之间的任一值，比如20μm、30μm、40μm、50μm、60μm或70μm。本实施例中，外边框22的边框本体的厚度不小于内边框21的边框本体的厚度，换言之，外边框22的厚度不小于内边框21的厚度，可进一步弥补气体扩散层与内边框21之间形成的台阶差，提高膜电极的平整度。

可选地，在沿垂直于CCM1的方向，内侧活性区211在CCM1上的投影重叠于外侧活性区221在CCM1上的投影内。换言之，内侧活性区211的横截面面积小于外侧活性区221的横截面面积，其中，横截面为平行于外边框22及内边框21的截面。如此设置，可使气体扩散层能与内侧活性区211搭接并位于外侧活性区221内，以弥补气体扩散层与内边框21之间形成的台阶差。

进一步地，内侧活性区211与对应的外侧活性区221的形状相同并正对设置，且内侧活性区211的任意一个边的边长较对应的外侧活性区221对应边的边长短1.5mm-5mm；示例性地，内侧活性区211的任意一个边的边长与对应的外侧活性区221对应边的边长差可以为1.5mm-5mm之间的任一值，比如1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或5mm。如此设置，可使气体扩散层的四周均能与内边框21搭接，提高二者的粘接稳定性。

可选地，在冲切外侧活性区221前，外边框22采用卷料形式来料。进一步地，在切出外侧活性区221后，外边框22采用卷料形式收卷。进一步地，在与外边框22粘贴前，内边框21采用卷料形式来料。外边框22与内边框21均采用卷料形式来料，在将外边框22与内边框21进行压合时，可实现卷对卷贴合，提高生产效率。进一步地，在切出内侧活性区211后，一体边框2采用卷料形式收卷，进而可使一体边框2与CCM1实现卷对卷贴合，提高生产效率。

为了便于描述，将外边框22的边框本体、胶层和背膜分别记为外边框本体、外边框胶层和外边框背膜，可选地，在步骤S1中，在对外边框22进行冲切时，外边框本体切断并形成外侧活性区221，且外边框背膜不切断，进而在对切出外侧活性区221后的外边框22进行收卷时，可利用外边框背膜提供支撑，保证外边框22不会出现拉扯变形等问题，有利于提高外边框22与内边框21的对准精度。

可选地，在步骤S2中，冲切后的外边框22粘贴并采用热辊压的方式压合于内边框21的外侧形成一体边框2，需要说明的是，进行压合的辊压温度需大于胶层激活固化温度，示例性地，胶层激活固化温度不小于120℃，则进行压合的辊压温度需高于120℃，一般为140℃-170℃，示例性地，进行压合的辊压温度可以为140℃-170℃之间的任一值，比如140℃、150℃、160℃或170℃；辊压压力为500N-800N，示例性地，辊压压力可以为500N-800N之间的任一值，比如500N、600N、700N或800N；辊压速度为10mm/s-20mm/s，示例性地，辊压速度可以为10mm/s-20mm/s之间的任一值，比如10mm/s、12mm/s、13mm/s、14mm/s、15mm/s、16mm/s、17mm/s、18mm/s、19mm/s或20mm/s。采用热辊压的方式，一方面可实现内边框21与外边框22之间的有效结合形成一体边框2，保证一体边框2与CCM1贴合的工序中，内边框21与外边框22之间不会出现错位、偏离和脱落的问题；另一方面，利用外边框22胶层的二次激活特性，实现外边框22与内边框21的固化，形成一体边框2。

可选地，主压合的压合压力高于预压合的压合压力，可避免两个一体边框2与CCM1贴合后形成的七层组件存在气泡和褶皱问题，还可提高膜电极的密封性。示例性地，预压合的压合压力为500N-1000N，示例性地，预压合的压合压力可以为500N-1000N之间的任一值，比如500N、600N、700N、800N、900N或1000N；主压合的压合压力为1500N-1800N，示例性地，主压合的压合压力可以为1500N-1800N之间的任一值，比如1500N、1600N、1700N或1800N。

可选地，在步骤S4中，两个一体边框2分别粘贴并采用热辊压的方式预压合于CCM1的两侧，示例性地，进行预压合的辊压温度为140℃-170℃，示例性地，预压合的辊压温度可以为140℃-170℃之间的任一值，比如140℃、150℃、160℃或170℃；辊压速度为10mm/s-20mm/s，示例性地，辊压速度可以为10mm/s-20mm/s之间的任一值，比如10mm/s、12mm/s、13mm/s、14mm/s、15mm/s、16mm/s、17mm/s、18mm/s、19mm/s或20mm/s。可选地，在步骤S5中，预压合后的CCM1与两个一体边框2采用热辊压的方式进行主压合，示例性地，进行主压合的辊压温度为140℃-160℃，示例性地，主压合的辊压温度可以为140℃-160℃之间的任一值，比如140℃、150℃或160℃；辊压速度为10mm/s-20mm/s，示例性地，辊压速度可以为10mm/s-20mm/s之间的任一值，比如10mm/s、12mm/s、13mm/s、14mm/s、15mm/s、16mm/s、17mm/s、18mm/s、19mm/s或20mm/s。如此设置，有利于使两个一体边框2与CCM1贴合后形成的七层组件无气泡，无褶皱，且气密性良好，可使膜电极的泄漏量不大于0.5mL/min。

可选地，阳极气体扩散层31采用胶水粘贴于对应的一体边框2的外侧活性区221内；阴极气体扩散层32采用胶水粘贴于对应的一体边框2的外侧活性区221内，便于操作，可提高膜电极生产效率。具体地，阳极气体扩散层31与阴极气体扩散层32通过四周点胶的方式，粘贴于上述七层组件两侧的外侧活性区221内，最后通过平压的方式使阳极气体扩散层31及阴极气体扩散层32与上述七层组件粘接牢固。本实施例中，胶水为紫外光固化压敏胶，点胶宽度为0.5mm-2mm，示例性地，点胶宽度可以为0.5mm-2mm之间的任一值，比如0.5mm、1mm、1.5mm或2mm；紫外光固化时间为5s-20s，示例性地，紫外光固化时间可以为5s-20s之间的任一值，比如5s、10s、15s或20s；平压压力为1000N-3000N，示例性地，平压压力可以为1000N-3000N之间的任一值，比如1000N、1500N、2000N、2500N或3000N；进而可使阳极气体扩散层31及阴极气体扩散层32与上述七层组件的粘接力达到0.5N/cm-2N/cm，保证粘接的可靠性。

采用上述膜电极制备方法，可实现快速、高质量、批量化的制备四层边框结构的膜电极，可有效的推动和实现膜电极制备的规模化、产业化应用。

本实施例还提供了一种燃料电池，包括如上述的膜电极。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种膜电极制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

对外边框进行冲切，以在所述外边框上切出外侧活性区；

将冲切后的所述外边框粘贴并压合于内边框的外侧形成一体边框；

对所述一体边框进行冲切，在所述内边框上切出与所述外侧活性区对应设置的内侧活性区；

将两个所述一体边框分别粘贴并预压合于CCM的两侧，并使所述CCM两侧的催化层分别对准两个所述一体边框的所述内侧活性区；

对预压合后的所述CCM与两个所述一体边框进行主压合；

将阳极气体扩散层和阴极气体扩散层分别粘贴并压合于两个所述一体边框的所述外侧活性区内。

2.根据权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于，所述主压合的压合压力高于所述预压合的压合压力；

优选的，在将两个所述一体边框分别粘贴并预压合于CCM的两侧的步骤中：

所述预压合采用热辊压的方式；

优选的，在对预压合后的所述CCM与两个所述一体边框进行主压合的步骤中：

所述主压合采用热辊压的方式；

优选的，在将冲切后的所述外边框粘贴并压合于内边框的外侧形成一体边框的步骤中：

所述压合采用热辊压的方式。

3.根据权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于，在沿垂直于所述CCM的方向，所述内侧活性区在所述CCM上的投影重叠于所述外侧活性区在所述CCM上的投影内。

4.根据权利要求3所述的膜电极制备方法，其特征在于，所述内侧活性区与对应的所述外侧活性区的形状相同并正对设置，且所述内侧活性区的任意一个边的边长较对应的所述外侧活性区对应边的边长短1.5mm-5mm。

5.根据权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于，在冲切所述外侧活性区前，所述外边框采用卷料形式来料；和/或，

在切出所述外侧活性区后，所述外边框采用卷料形式收卷；和/或，

在与所述外边框粘贴前，所述内边框采用卷料形式来料；和/或，

在切出所述内侧活性区后，所述一体边框采用卷料形式收卷。

6.根据权利要求5所述的膜电极制备方法，其特征在于，所述外边框包括外边框本体及粘贴于所述外边框本体的外边框背膜；

在对外边框进行冲切，以在所述外边框上切出外侧活性区的步骤中：

所述外边框本体切断并形成外侧活性区，且所述外边框背膜不切断。

7.根据权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于，所述外边框的厚度不小于所述内边框的厚度。

8.根据权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于，所述阳极气体扩散层采用胶水粘贴于对应的所述一体边框的所述外侧活性区内；和/或，

所述阴极气体扩散层采用胶水粘贴于对应的所述一体边框的所述外侧活性区内。

9.一种膜电极，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的膜电极制备方法制成。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求9所述的膜电极。

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