一种单边框膜电极结构的封装方法与流程

1.本发明属于膜电极技术领域，具体涉及一种单边框电极结构的封装方法。


背景技术：

2.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。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，膜电极的性能直接决定了电池的使用寿命。当前七合一膜电极的封装方法为：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。但是该封装工艺中需要多次定位与粘结，工艺较为繁琐，难以大规模批量化生产。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的问题，本发明提供一种单边框膜电极的结构的封装方法，解决了现有封装工艺的缺陷，利用单边框结构简略工艺，无需边框压合工序，大大降低了边框气泡和褶皱的产生。
4.为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
5.一种单边框膜电极的结构的封装方法，包括：
6.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；使用模具压制出单层边框；裁剪出阴极气体扩散层和阳极气体扩散层；
7.步骤2，在单层边框顶面的中心通孔的边缘涂覆粘接剂或粘贴胶条，然后将ccm粘接在表框上；
8.步骤3，在表框上的ccm边缘涂覆粘接剂或粘贴胶条，且粘接剂或粘贴胶条均覆盖ccm边缘；所述粘接剂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；
9.步骤4，在阴极气体扩散层和阳极气体扩散层边缘均涂覆粘接剂或粘贴胶条；然后按照阳极气体扩散层、ccm、边框和阴极气体扩散层的顺序热压在一起，得到单边框电极结构。所述热压的温度为120－150℃，压力为0.1－2mpa，时间为0.1－5min。
10.所述封装结构包括：ccm位于单边框上表面，且ccm上表面连接有阳极气体扩散层，单边框下表面连接有阴极气体扩散层。该膜电极封装结构中的ccm位于单边框的一侧，并固定在单边框表面，即，ccm与阴极扩散层间存在缝隙，且该缝隙与单边框厚度一致，该ccm通过边缘的粘接剂与阳极气体扩散层连接，基于粘接剂自身的低缝隙间距，保证阳极气体扩散层与ccm形成无缓冲渗透，实现气体稳定流通时达到无障碍无缓冲流通；所述ccm与阴极气体扩散层间存在缓冲区，该缓冲区确保阴极气体的稳定扩散效果。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，同时缓冲区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。
11.其中，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。
12.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。
13.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％。
14.上述方法制备的ccm中铂担量为0.4mg/cm2。
15.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。
16.与此同时，ccm中的亲水性催化层与改性全氟磺酸质子交换膜的亲水性，能够有效的形成催化层的亲水质子网络，且整个ccm内的亲水性促进水分子的亲水化迁移，配合ccm与阴极气体扩散层的缓冲区，起到阻止水分子阴极向迁移，得到单方向控制效果。
17.从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
18.1.本发明解决了现有封装工艺的缺陷，利用单边框结构简略工艺，无需边框压合工序，大大降低了边框气泡和褶皱的产生。
19.2.本发明各部件和组成均可在自动化设备上生产，大大提升了生产效率。
附图说明
20.图1是本发明实施例中的单边框膜电极的封装结构示意图。
具体实施方式
21.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。
22.实施例1
23.如图1所示，一种单边框膜电极结构，所述ccm位于单边框上表面，且ccm上表面连接有阳极气体扩散层，单边框下表面连接有阴极气体扩散层。该膜电极封装结构中的ccm位于单边框的一侧，并固定在单边框表面，即，ccm与阴极扩散层间存在缝隙，且该缝隙与单边框厚度一致。
24.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。
25.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。
26.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％。
27.ccm中铂担量为0.4mg/cm2。
28.所述封装方法，包括：
29.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；使用模具压制出单层边框；裁剪出阴极气体扩散层和阳极气体扩散层；
30.步骤2，在单层边框顶面的中心通孔的边缘涂覆粘接剂或粘贴胶条，然后将ccm粘接在表框上；
31.步骤3，在表框上的ccm边缘涂覆粘接剂或粘贴胶条，且粘接剂或粘贴胶条均覆盖ccm边缘；所述粘接剂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；
32.步骤4，在阴极气体扩散层和阳极气体扩散层边缘均涂覆粘接剂或粘贴胶条；然后按照阳极气体扩散层、ccm、边框和阴极气体扩散层的顺序热压在一起，得到单边框电极结构。所述热压的温度为120℃，压力为0.1mpa，时间为0.1min。
33.实施例2
34.一种单边框膜电极结构，所述ccm位于单边框上表面，且ccm上表面连接有阳极气体扩散层，单边框下表面连接有阴极气体扩散层。该膜电极封装结构中的ccm位于单边框的一侧，并固定在单边框表面，即，ccm与阴极扩散层间存在缝隙，且该缝隙与单边框厚度一致。
35.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。
36.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。
37.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％。
38.ccm中铂担量为0.4mg/cm2。
39.所述封装方法，包括：
40.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；使用模具压制出单层边框；裁剪出阴极气体扩散层和阳极气体扩散层；
41.步骤2，在单层边框顶面的中心通孔的边缘涂覆粘接剂或粘贴胶条，然后将ccm粘接在表框上；
42.步骤3，在表框上的ccm边缘涂覆粘接剂或粘贴胶条，且粘接剂或粘贴胶条均覆盖ccm边缘；所述粘接剂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；
43.步骤4，在阴极气体扩散层和阳极气体扩散层边缘均涂覆粘接剂或粘贴胶条；然后按照阳极气体扩散层、ccm、边框和阴极气体扩散层的顺序热压在一起，得到单边框电极结构。所述热压的温度为150℃，压力为2mpa，时间为5min。
44.实施例3
45.一种单边框膜电极结构，所述ccm位于单边框上表面，且ccm上表面连接有阳极气体扩散层，单边框下表面连接有阴极气体扩散层。该膜电极封装结构中的ccm位于单边框的一侧，并固定在单边框表面，即，ccm与阴极扩散层间存在缝隙，且该缝隙与单边框厚度一致。
46.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。
47.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。
48.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％。
49.ccm中铂担量为0.4mg/cm2。
50.所述封装方法，包括：
51.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；使用模具压制出单层边框；裁剪出阴极气体扩散层和阳极气体扩散层；
52.步骤2，在单层边框顶面的中心通孔的边缘涂覆粘接剂或粘贴胶条，然后将ccm粘接在表框上；
53.步骤3，在表框上的ccm边缘涂覆粘接剂或粘贴胶条，且粘接剂或粘贴胶条均覆盖ccm边缘；所述粘接剂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；
54.步骤4，在阴极气体扩散层和阳极气体扩散层边缘均涂覆粘接剂或粘贴胶条；然后按照阳极气体扩散层、ccm、边框和阴极气体扩散层的顺序热压在一起，得到单边框电极结构。所述热压的温度为130℃，压力为1mpa，时间为2min。
55.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。
56.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2％左右。与此同时，实施例1－3的生产效率提升了8％以上，且合格率更高。
57.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。