CN215070065U - 一种膜电极多层密封边框结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型针对现有技术中膜电极的单层聚酯边框成本高，结构稳定性差的弊端，提供一种膜电极多层密封边框结构，属于燃料电池技术领域，包括质子交换膜，质子交换膜两侧各设有一个方框型结构的密封边框，所述密封边框包括聚酯材料制成的支撑层和橡胶材料制成的控制层，所述支撑层位于质子交换膜与控制层之间；所述质子交换膜侧边相对于密封边框侧边向外突出；所述支撑层厚度为30‑50微米，所述控制层厚度为10‑30微米。该密封边框结构成本较低，具有良好的结构稳定性。

Description

一种膜电极多层密封边框结构

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，具体涉及一种膜电极多层密封边框结构。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)有能量转化效率高、环境友好、室温快速启动、体积小、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出优点。膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件，为质子交换膜燃料电池提供了多相物质传递的微通道和电化学反应场所，其性能的优劣直接决定质子交换膜电池性能的好坏。

现阶段，制备膜电极的工艺主要分为两种，一种是将催化剂涂覆于气体扩散层上，再将涂覆后的气体扩散层电极热压到质子交换膜两侧，该制备工艺生产的膜电极内阻较大、催化剂利用率低；另一种是将阳极催化剂、阴极催化剂分别喷涂在质子交换膜两侧制成CCM，再与气体扩散层(如碳纸、碳布)热压得到膜电极组件，该工艺得到的膜电极内阻小、催化剂的利用率高，因此应用前景广泛。然而质子交换膜是一种温湿度感应十分敏感的全氟磺酸树脂膜，通常，为了避免制备膜电极过程中环境温湿度、操作人员的不规范运作等因素对质子交换膜的非可逆破坏就需要采用密封边框结构对其进行防护。膜电极的边框材料通常选用热塑性或热固性树脂，目前，市场主流的聚酯边框材料通常为单层结构，厚度在 100微米以内，这类聚酯边框能够起到支撑质子交换膜的作用，提高膜边缘的延展性，聚酯边框也具备一定的机械强度，但是其热稳定性、化学稳定性、耐候性等性能是长期不稳定的，此外，单层聚酯边框的选材单一，主材成本高，用量大，使膜电极的材料成本增加，继而增大了膜电极的生产成本，不利于膜电极的产业化发展。

专利US3134697公开了一种膜电极自密封结构，选用大于气体扩散层尺寸的质子交换膜，超出气体扩散层的膜尺寸作密封材料的原材，实现自密封，也阻止了相邻两块导流极板直接接触而造成短路，但是，该方法大量露出质子交换膜，导致昂贵的膜材未得到充分利用，制备成本高，浪费严重。

专利EP0604683A1公开了一种膜电极密封装置，该装置是将密封圈材料放在膜电极的扩散层上，实现膜电极的密封效果，但该方法设置难度较大，密封圈厚度较小，极易变形，影响密封效果，此外，在膜电极组装过程中容易造成膜的物理损伤，继而加速膜的老化，影响膜的耐久性。

专利CN201710089093.3公开了一种质子交换膜燃料电池膜电极密封边框，密封边框包括垫平层、保护层、气体扩散层和密封层，垫平层对接质子交换膜的外延部分，质子交换膜外延两侧设置保护层，保护层外侧设置气体扩散层。形成类似卡扣式结构与膜电极CCM扣式连接，该方法虽然能质子交换膜和气体扩散层用量，密封边框在一定时效内具备较好的密封效果，但密封结构整体性较差，长时间使用易开裂，形成不稳定结构，影响膜电极的使用寿命。

专利CN200810197098.9公开了一种带密封边框的核心部件及由此制备的膜电极，它采用一侧附有加强衬底另一侧涂覆粘性胶层的密封边框结构，将两片密封边框材料叠压到质子交换膜上，再将催化剂涂覆到膜的活性区，制备带密封边框的核心组件(CCM)，然后，与带有微孔层的气体扩散层热压，制备得到膜电极(MEA)。该专利制得的膜电极虽然具有较好的密封，小批量化生产，但涂覆催化层时易导致质子交换膜溶胀变形，从而导致密封边框应力变形，同时对位精度要求较高。

专利CN201110431704.0公开了一种通过超声波振动接合制造燃料电池膜电极组件的方法，通过超声波振动把密封边框接合到聚合物电解质膜的两侧的边缘上，再将催化剂浆液涂覆在膜两侧，干燥后即得到5层膜电极组件。该方法可实现较好的密封但也在喷涂过程中膜容易溶胀变形，并且喷涂方法容易将浆液喷涂到密封垫圈上，不利于活性区域的定位，且造成催化剂浆液的浪费。

专利CN201911383536.5公开了一种燃料电池膜电极密封装置及其制备方法，它采用密封边框与燃料电池膜电极之间通过胶粘剂层形成密封结构，胶黏剂实现了扩散层、三层膜电极和密封边框的一次性粘接，对扩散层边缘和密封边框内缘进行全包围密封，该方法能有效隔绝外界温湿度对膜电极本体的影响，但胶黏剂的涂覆用量需要精准控制，且胶黏剂存在耐温性、耐候性差的缺点，膜电极使用过程中易造成开裂脱落等现象。

由以上专利可知，现有膜电极的单层聚酯边框成本高，结构稳定性差。

发明内容

本实用新型针对现有技术中膜电极的单层聚酯边框成本高，结构稳定性差的弊端，提供一种膜电极多层密封边框结构，该密封边框结构成本较低，具有良好的结构稳定性。

本实用新型的发明目的是通过以下技术方案实现的：一种膜电极多层密封边框结构，包括质子交换膜，质子交换膜为Nafion-212膜、Nafion-112膜、 Nafion-221膜的一种，该膜分阳极侧和阴极侧两面，以及延展的外边缘。质子交换膜两侧各设有一个方框型结构的密封边框，所述密封边框包括聚酯材料制成的支撑层和橡胶材料制成的控制层，所述支撑层位于质子交换膜与控制层之间；所述质子交换膜侧边相对于密封边框侧边向外突出；所述支撑层厚度为30-50 微米，所述控制层厚度为10-30微米。支撑层、控制层分别采用冲裁模具冲压而成。支撑层的作用在于作为密封边框的基层使用，具备良好的机械强度，是密封边框的主要材料，相对于现有的聚酯边框厚度更小，能够大幅度地削减密封边框的材料成本，如果支撑层的厚度过大会造成材料成本上升，如果厚度过小则会造成密封边框机械强度低，易折，易弯，从而引起质子交换膜的弯曲，更甚至会导致已喷涂CCM中的催化层断裂、催化层结构破损等危害。控制层的作用在于弥补支撑层的厚度问题，如果支撑层厚度不足以支撑质子交换膜密封结构，那么会导致密封边框机械强度低，易折，易弯，引起质子交换膜的弯曲，更甚至会导致已喷涂CCM中的催化层断裂、催化层结构破损等危害。控制层的作用在于厚度补偿支撑层，使用价格便宜、利于生产的橡胶材料，补偿支撑层的厚度，如果厚度过小，则导致弥补厚度补偿失去意义，如果厚度过大，则导致密封边框整体性差，在使用过程中易开胶、开裂、开口等破坏性损伤。

作为优选，所述支撑层和控制层之间设有用于粘结支撑层和控制层的辅助层。所述辅助层厚度为5-20微米。辅助层采用裁剪模具裁剪而成。辅助层的作用是在于使得控制层与支撑层粘附在一起，形成整体性较好的密封结构；如果厚度太厚则会导致辅助层胶量过大，粘合后多余的胶水会侵蚀、浸透到其他区域，使质子交换膜与其他层粘附，这种现象要避免；如果厚度过小则会导致粘结力不足，使得膜电极多层密封边框结构在使用过程中会面临开胶、开裂、开口等破坏性损伤。

作为优选，所述支撑层为聚对苯二甲酸乙二醇酯层、聚对苯二甲酸丁二酯层、聚酰亚胺层、聚苯二甲酸乙二醇酯层、聚丙烯层、聚乙烯层、聚碳酸酯层中的一种或多种复合而成。

作为优选，所述辅助层为离型胶。

作为优选，所述辅助层采用有机硅胶类、聚氨酯类、环氧树脂类、苯乙烯类嵌段共聚物中的一种或多种复合而成。

作为优选，所述控制层为顺丁橡胶类辅助层、丁苯橡胶类辅助层、丁基橡胶类辅助层、硅橡胶类辅助层、氟橡胶类辅助层中的一种或多种复合而成。

作为优选，所述密封边框的厚度小于50微米。

作为优选，该膜电极多层密封边框结构的厚度小于100微米。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型设置的密封边框具有良好的机械强度，提高了密封边框的热稳定性、化学稳定性、耐候性，增加了膜电极的使用寿命，同时，密封边框的厚度控制与市场主流边框产品厚度一致，保持在100微米以内，密封边框采用多层材料复合，减少了聚酯材料的使用，能有效降低材料成本。

附图说明

图1为实施例1-3的结构爆炸图；

图2为实施例1-3的结构示意图；

图3为为实施例4的结构爆炸图；

图4为实施例4的结构示意图；

图中标记：1、质子交换膜，2、支撑层，3、控制层，4、辅助层。

具体实施方式

下面结合附图所表示的实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例1

如图1、图2所示，一种膜电极多层密封边框结构，包括质子交换膜1，质子交换膜1为Nafion-212膜、Nafion-112膜、Nafion-221膜的一种，该膜分阳极侧和阴极侧两面，以及延展的外边缘。质子交换膜1两侧各设有一个方框型结构的密封边框，所述密封边框包括聚酯材料制成的支撑层2和橡胶材料制成的控制层3，所述支撑层2位于质子交换膜1与控制层3之间支撑层2和控制层3的结构尺寸大小相同；所述质子交换膜1侧边相对于密封边框侧边向外突出；所述支撑层2厚度为30微米，所述控制层3厚度为10微米。支撑层2、控制层3分别采用冲裁模具冲压而成。

所述支撑层2为聚对苯二甲酸乙二醇酯层、聚对苯二甲酸丁二酯层、聚酰亚胺层、聚苯二甲酸乙二醇酯层、聚丙烯层、聚乙烯层、聚碳酸酯层中的一种或多种复合而成。所述控制层3为顺丁橡胶类辅助层4、丁苯橡胶类辅助层4、丁基橡胶类辅助层4、硅橡胶类辅助层4、氟橡胶类辅助层4中的一种或多种复合而成。所述密封边框的厚度小于50微米。该膜电极多层密封边框结构的厚度小于 100微米。

支撑层2的作用在于作为密封边框的基层使用，具备良好的机械强度，是密封边框的主要材料，相对于现有的聚酯边框厚度更小，能够大幅度地削减密封边框的材料成本，控制层3的作用在于厚度补偿支撑层2，使用价格便宜、利于生产的橡胶材料，补偿支撑层2的厚度，保障了密封边框的性能，且使密封边框整体性较好，在使用过程中不易发生开胶、开裂、开口等破坏性损伤。

实施例2

如图1、图2所示，与实施例1相比，实施例2的区别在于，所述支撑层2 厚度为30微米，所述控制层3厚度为12微米。

实施例3

如图1、图2所示，与实施例1相比，实施例3的区别在于，所述支撑层2 厚度为35微米，所述控制层3厚度为10微米。

实施例4

如图3、图4所示，与实施例1相比，实施例2的区别在于，所述支撑层2 和控制层3之间设有用于粘结支撑层2和控制层3的辅助层4。所述辅助层4厚度为5微米。辅助层4采用裁剪模具裁剪而成。辅助层4的作用是在于使得控制层3与支撑层2粘附在一起，形成整体性较好的密封结构。所述辅助层4为离型胶，为机硅胶类、聚氨酯类、环氧树脂类、苯乙烯类嵌段共聚物中的一种或多种复合而成。

文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种膜电极多层密封边框结构，其特征在于，包括质子交换膜(1)，质子交换膜(1)两侧各设有一个方框型结构的密封边框，所述密封边框包括聚酯材料制成的支撑层(2)和橡胶材料制成的控制层(3)，所述支撑层(2)位于质子交换膜(1)与控制层(3)之间；所述质子交换膜(1)侧边相对于密封边框侧边向外突出；所述支撑层(2)厚度为30-50微米，所述控制层(3)厚度为10-30微米。

2.根据权利要求1所述的一种膜电极多层密封边框结构，其特征在于，所述支撑层(2)和控制层(3)之间设有用于粘结支撑层(2)和控制层(3)的辅助层(4)，所述辅助层(4)厚度为5-20微米。

3.根据权利要求1或2所述的一种膜电极多层密封边框结构，其特征在于，所述支撑层(2)为聚对苯二甲酸乙二醇酯层、聚对苯二甲酸丁二酯层、聚酰亚胺层、聚苯二甲酸乙二醇酯层、聚丙烯层、聚乙烯层、聚碳酸酯层中的一种或多种复合而成。

4.根据权利要求2所述的一种膜电极多层密封边框结构，其特征在于，所述辅助层(4)为离型胶。

5.根据权利要求1或2所述的一种膜电极多层密封边框结构，其特征在于，所述控制层(3)为顺丁橡胶类辅助层(4)、丁苯橡胶类辅助层(4)、丁基橡胶类辅助层(4)、硅橡胶类辅助层(4)、氟橡胶类辅助层(4)中的一种或多种复合而成。

6.根据权利要求2所述的一种膜电极多层密封边框结构，其特征在于，所述密封边框的厚度小于50微米。

7.根据权利要求6所述的一种膜电极多层密封边框结构，其特征在于，该膜电极多层密封边框结构的厚度小于100微米。

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