CN117165981A - 膜电极组件及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种膜电极组件及制备方法，所述膜电极组件包括第一边框、第二边框、质子交换膜和填充物，质子交换膜设在第一边框和第二边框之间，填充物设在第一边框和第二边框之间，且填充物位于质子交换膜的侧边。本发明的膜电极组件，可以提高膜电极组件的安全性和性能。

Description

膜电极组件及制备方法

技术领域

本发明属于氢燃料电池技术领域，具体涉及一种膜电极组件及制备方法。

背景技术

PEM电解水制氢技术是将质子交换膜作为固体电解质，纯水作为反应物，产物为氢气和氧气。不同于质子交换膜燃料电池，PEM制氢电解槽需输出高纯度、一定压力的氢气，因此膜电极一般需要采用厚度较大的质子交换膜。然而相关技术中膜电极中质子交换膜尺寸小于膜电极，会导致膜电极不同位置产品高度差，从而导致膜电极开胶，影响膜电极组件的使用安全和性能。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种膜电极组件，可以提高膜电极组件的安全性和性能。

本发明的实施例还提出了一种膜电极组件的制备方法。

本发明实施例的膜电极组件，包括：第一边框、第二边框和质子交换膜，所述质子交换膜设在所述第一边框和第二边框之间；填充物，所述填充物设在所述第一边框和所述第二边框之间，且所述填充物位于所述质子交换膜的侧边。

本发明实施例的膜电极组件，可以提高膜电极组件的安全性和性能。

在一些实施例中，所述填充物为粘结剂，所述第一边框、第二边框和所述质子交换膜围成第一空腔，所述第一空腔内用于容纳粘结剂。

在一些实施例中，所述第一边框和/或所述第二边框与所述质子交换膜的侧壁之间具有预设角A，且所述15°≤A＜90°。

在一些实施例中，所述第一空腔的单位容积为S1，且S1=a²tanA/4，其中，a为质子交换膜的厚度，A为所述第一边框和/或所述第二边框与所述质子交换膜的侧壁之间具有预设角。

在一些实施例中，所述填充物为垫片，所述垫片的侧边与所述质子交换膜的侧边具有间隙。

在一些实施例中，所述垫片的厚度为C，且a1=C≤a2，其中，a2为质子交换膜初始厚度，a1为质子交换膜被压缩后的厚度。

在一些实施例中，所述填充物包括垫片和粘接剂，所述垫片、第一边框、第二边框和所述质子交换膜围成第二空腔，所述第二空腔内用于容纳粘结剂。

在一些实施例中，所述第二空腔的单位容积为S2，S2=ad，其中,a为质子交换膜的厚度，d为垫片的侧边与所述质子交换膜的侧边之间的间隙。

本发明实施例的膜电极组件的制备方法，用于制备上述任一项实施例所述的膜电极组件，包括如下步骤：根据质子交换膜的厚度、宽度和长度裁剪第一边框和第二边框的尺寸；根据质子交换膜的厚度选择填充物的厚度；依次将第一边框、质子交换膜和第二边框堆叠，并将填充物放置在第一边框和第二边框之间得到膜电极；对膜电极进行热压形成膜电极组件。

在一些实施例中，所述热压温度为90℃至150℃，热压时长为5秒至120秒。

附图说明

图1是本发明实施例的膜电极组件的结构示意图。

图2是本发明另一实施例的膜电极组件的结构示意图。

图3是本发明又一实施例的膜电极组件的结构示意图。

图4是本发明又一实施例的膜电极组件的结构示意图。

图5是本发明实施例的膜电极组件的制备方法流程图。

附图标记：

第一边框1，第二边框2，质子交换膜3，填充物4，粘接剂41，垫片42，第一空腔5，第二空腔6，制具7。

具体实施方式

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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1至图4所示，本发明实施例的膜电极组件，包括第一边框1、第二边框2、质子交换膜3和填充物4，质子交换膜3设在第一边框1和第二边框2之间，填充物4设在第一边框1和第二边框2之间，且填充物4位于质子交换膜3的侧边。

需要说明的是，第一边框1为外边框，第二边框2为内边框，具体地，如图1所示，第一边框1和第二边框2之间夹有质子交换膜3和填充物4，填充物4位于质子交换膜3的侧方，即填充物4位于质子交换膜3的边缘外周。

例如，第一边框1可以为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚萘二甲酸乙二醇酯。

本发明实施例的膜电极组件，通过在边框和质子交换膜3之间设置填充物4，可以有效的缓解厚度加大的质子交换膜3制备封边型膜电极组件所带来的边框在无质子交换膜3的边缘处由于高度差带来的封边材料褶皱或无法粘接问题，提高了膜电极组件的成品率及质量，从而可以提高膜电极组件的安全性和性能。

在一些实施例中，填充物4为粘结剂，第一边框1、第二边框2和质子交换膜3围成第一空腔5，第一空腔5内用于容纳粘结剂。

需要说明的是，粘接剂41的材料可以与第一边框1和第二边框2的材料相同，或者粘接剂41的材料与第一边框1和第二边框2的材料不同，且具体粘接剂41的材料可以根据实际需要进行选择。

具体地，如图1所示，第一边框1的下端面、第二边框2的上端面以及质子交换膜3的侧面围成第一空腔5，第一空腔5的横截面的外轮廓可以为等腰三角形、直角三角形、钝角三角形。第一腔体内可充填粘结剂，当粘结剂凝固后形成填充物4。通过设置第一腔体，可以在第一腔体内填充粘结剂，利用粘结剂可以将质子交换膜3的边缘与边框进行粘接，减小或消除质子交换膜3边缘的褶皱，还可以提高粘接稳定性，避免质子交换膜3边缘发生开胶。

在一些实施例中，第一边框1和/或第二边框2与质子交换膜3的侧壁之间具有预设角A，且15°≤A＜90°。

例如，第一边框1的下端面与质子交换膜3的侧面之间的角为A，或者，第二边框2的上端面与质子交换膜3的侧面之间的角为A，第一边框1与质子交换膜3之间的角与第二边框2与质子交换膜3之间的角可以相同或不同，当两者的角相同时，第一空腔5的横截面的外轮廓为等腰三角形，或者，当两者的角不同时，第一空腔5的横截面的外轮廓可以为直角三角形。

预设角A可以为15°、30°、35°、45°、60°、80°。需要说明的是，当预设角过小时，即角小于15°，将导致第一空腔5的容积减小，不便于向空腔内填充粘接剂41，反之，当预设角过大时，即角大于90°，使第一空腔5上下两侧的侧边长度增大，即第一空腔5变成狭长的三角形，容易使膜电极组件在热压时，质子交换膜3被拉扯过长导致破损。

在一些实施例中，第一空腔5的单位容积为S1，且S1=a2tanA/4，其中，a为质子交换膜3的厚度，A为第一边框1和/或第二边框2与质子交换膜3的侧壁之间具有预设角。

需要说明的是，第一空腔5的容积即为可以容纳粘接剂41的容量，例如，当预设角A为60°时，则tanA为√3，当预设角A为30°时，则tanA为√3/3。或者，当预设角A为45°时，tanA为1。

需要说明的是，当预设角A为90°时，由于tan90°不存在，因此，预设角不为90°。例如，当第二边框2与质子交换膜3的侧壁之间的夹角为直角，由于tan90°不存在，因此，此时的tanA为第一边框1与质子交换膜3之间的夹角。

换言之，第一空腔5的容积与质子交换膜3的厚度和预设角A有关，从而满足不同厚度的质子交换膜3的制备，而预设角A可以根据制具7的角度以及质子交换膜3的热压位置选择和调整。

在一些实施例中，填充物4为垫片42，垫片42的侧边与质子交换膜3的侧边具有间隙。

具体地，如图3所示，垫片42位于第一边框1和第二边框2之间，垫片42的内侧面与质子交换膜3的侧面之间具有预设间隙，或者，垫片42的内侧面与质子交换膜3的侧面相接触。

例如，垫片42的材料可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯或其改性材料。

利用垫片42消除第一边框1和质子交换膜3之间的高度差，还可以使用垫片42代替无需进行质子交换的活性区，简化电解槽结构设计，缓解了高度带来的电解槽的密封难度大的问题，从而简化密封结构降低制造成本。

在一些实施例中，垫片42的厚度为C，且a1=C≤a2，其中，a2为质子交换膜3初始厚度，a1为质子交换膜3被压缩后的厚度。

需要说明的是，垫片42的厚度与被热压后的质子交换膜3的厚度相同，从而消除了边框与质子交换膜3之间的高度差，垫片42的厚度小于质子交换膜3被热压前的厚度，便于将垫片42放入第一边框1和第二边框2之间。

在一些实施例中，填充物4包括垫片42和粘接剂41，垫片42、第一边框1、第二边框2和质子交换膜3围成第二空腔6，第二空腔6内用于容纳粘结剂。

具体地，如图4所示，垫片42的右侧面、第一边框1的下端面、第二边框2的上端面和质子交换膜3的侧面围成第二空腔6，第二空腔6的横截面的外轮廓为矩形，通过同时设在垫片42，并利用垫片42围成第二空腔6，不仅可以增加边框与质子交换膜3之间的粘接稳定性，减小或消除边框与质子交换膜3之间的褶皱，并且利用垫片42消除第一边框1和质子交换膜3之间的高度差，还可以使用垫片42代替无需进行质子交换的活性区，简化电解槽结构设计，缓解了高度带来的电解槽的密封难度大的问题，从而简化密封结构降低制造成本。

在一些实施例中，第二空腔6的单位容积为S2，S2=ad，其中，a为质子交换膜3的厚度，d为垫片42的侧边与质子交换膜3的侧边之间的间隙。

需要说明的是，当第二空腔6的横截面为矩形时，则S2=ad，当第二空腔6的横截面为梯形时，则S2=（a+c）d/2，其中,c为垫片42的厚度。

如图5所示，本发明实施例的膜电极组件的制备方法，用于制备上述任一项实施例的膜电极组件，包括如下步骤：

S10、根据质子交换膜3的厚度、宽度和长度裁剪第一边框1和第二边框2的尺寸。

需要说明的是，第一边框1的长度和宽度大于第二边框2的长度和宽度，第一边框1的长度和宽度可以相同，即第一边框1为正方形，第二边框2的长度和宽度可以相同，即第二边框2为正方形，例如，第一边框1的长度和宽度均为300mm，第二边框2的长度和宽度均为190mm。

质子交换膜3的长度和宽度可以相同，即质子交换膜3为正方形。例如，质子交换膜3的长度和宽度为200mm。

S20、根据质子交换膜3的厚度选择填充物4的厚度。

需要说明的是，根据质子交换膜3的厚度选择填充物4的类型，例如，将填充物4选择为粘接剂41，或者，将填充物4选择为垫片42，或者，将填充物4选择为垫片42加粘接剂41。

S30、依次将第一边框1、质子交换膜3和第二边框2堆叠，并将填充物4放置在第一边框1和第二边框2之间得到膜电极。

S40、对膜电极进行热压形成膜电极组件。

需要说明的是，利用制具7对膜电极进行热压并保持一定时长最终得到膜电极组件。

在一些实施例中，热压温度为90℃至150℃，热压时长为5秒至120秒。

下面参照图1至图4描述本发明一些示例的膜电极制备过程。

实施例1：例如，质子交换膜3的厚度为0.175mm，质子交换膜3的尺寸为200*200mm，裁剪第一边框1的尺寸为300*300mm，第二边框2的尺寸为190*190mm，设定第一边框1和质子交换膜3之间的预设角以及第一边框1和质子交换膜3之间的预设角为60°，此时形成的第一空腔5的容积为0.1752mm*√3/4=0.013mm2，故单位长度内填充粘接剂41的容量为0.013mm2，共所需填充粘接剂41的总体积为0.013mm2*800mm=10.4mm3，即四条边均需要填充粘接剂41，依次堆叠第一边框1、质子交换膜3和第二边框2，并在第一空腔5内填充粘接剂41，整体放置于制具7内进行热压，热压温度90-150℃，时间5-120秒，取出后及膜电极组件。

实施例2：例如，质子交换膜3的厚度为0.175mm，质子交换膜3的尺寸为200*200mm，裁剪第一边框1的尺寸为300*300mm，第二边框2的尺寸为190*190mm，垫片42厚度为0.160mm，依此放置第一边框1、垫片42、质子交换膜3和第二边框2堆叠，整体放置于制具7内进行热压，热压温度90-150℃，时间5-120秒，取出后及得到膜电极组件。

实施例3：例如，质子交换膜3的厚度为0.175mm，质子交换膜3的尺寸为200*200mm，裁剪第一边框1的尺寸为300*300mm，第二边框2的尺寸为190*190mm，且第二空腔6的横截面的外轮廓为矩形，垫片42与质子交换膜3之间的间隙为1mm，的厚度为0.160mm，第二空腔6的单位容积为0.175mm*1mm*1mm=0.175mm3，总体积为0.175mm3*800mm=140mm3的胶水，依此放置第一边框1、垫片42、质子交换膜3和第二边框2堆叠，并向第二空腔6内填充粘接剂41，整体放置于制具7内中进行热压，热压温度90-150℃，时间5-120秒，取出后及得到膜电极组件。

实施例4：例如，质子交换膜3的厚度为0.175mm，质子交换膜3的尺寸为200*200mm，裁剪第一边框1的尺寸为300*300mm，第二边框2的尺寸为190*190mm，且第二空腔6的横截面的外轮廓为梯形，垫片42与质子交换膜3之间的间隙为1mm，垫片42的厚度为0.160mm，第二空腔6的单位容积为（0.175mm+0.16mm）*1mm*1mm=0.335mm3，总体积为0.175mm3*800mm=268mm3的胶水，依此放置第一边框1、垫片42、质子交换膜3和第二边框2堆叠，并向第二空腔6内填充粘接剂41，整体放置于制具7内中进行热压，热压温度90-150℃，时间5-120秒，取出后及得到膜电极组件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据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 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种膜电极组件，其特征在于，包括：第一边框、第二边框和质子交换膜，所述质子交换膜设在所述第一边框和第二边框之间；

填充物，所述填充物设在所述第一边框和所述第二边框之间，且所述填充物位于所述质子交换膜的侧边。

2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，所述填充物为粘结剂，所述第一边框、第二边框和所述质子交换膜围成第一空腔，所述第一空腔内用于容纳粘结剂。

3.根据权利要求2所述的膜电极组件，其特征在于，所述第一边框和/或所述第二边框与所述质子交换膜的侧壁之间具有预设角A，且15°≤A＜90°。

4.根据权利要求3所述的膜电极组件，其特征在于，所述第一空腔的单位容积为S1，且S1=a²tanA/4，其中，a为质子交换膜的厚度，A为所述第一边框和/或所述第二边框与所述质子交换膜的侧壁之间的预设角。

5.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，所述填充物为垫片，所述垫片的侧边与所述质子交换膜的侧边具有间隙。

6.根据权利要求5所述的膜电极组件，其特征在于，所述垫片的厚度为C，且a1=C≤a2，其中，a2为质子交换膜初始厚度，a1为质子交换膜被压缩后的厚度。

7.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，所述填充物包括垫片和粘接剂，所述垫片、第一边框、第二边框和所述质子交换膜围成第二空腔，所述第二空腔内用于容纳粘结剂。

8.根据权利要求7所述的膜电极组件，其特征在于，所述第二空腔的单位容积为S2，S2=ad，其中,a为质子交换膜的厚度，d为垫片的侧边与所述质子交换膜的侧边之间的间隙。

9.一种膜电极组件的制备方法，用于制备权利要求1-8中任一项所述的膜电极组件，其特征在于，包括如下步骤：

根据质子交换膜的厚度、宽度和长度裁剪第一边框和第二边框的尺寸；

根据质子交换膜的厚度选择填充物的厚度；

依次将第一边框、质子交换膜和第二边框堆叠，并将填充物放置在第一边框和第二边框之间得到膜电极；

对膜电极进行热压形成膜电极组件。

10.根据权利要求9所述的膜电极组件的制备方法，其特征在于，所述热压温度为90℃至150℃，热压时长为5秒至120秒。