CN110400944A - 一种燃料电池膜电极与边框的密封方法与密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种燃料电池膜电极与边框的密封方法，包括：步骤S1：裁剪所述边框，并对所述边框表面进行处理，用于增大所述边框的表面粘力；步骤S2：将UV胶涂覆到所述边框上；步骤S3：将所述边框与所述膜电极贴合并置于一块平整放置的玻璃板上；步骤S4：利用紫外光照射所述UV胶并使所述UV胶固化。本发明提供的技术方案利用UV胶密封燃料电池的膜电极与边框，由于没有施加压力，从而避免了固化过程中密封胶溢胶造成质子交换膜污染的问题，简化了工艺流程，降低制造成本。此外，在燃料电池的使用过程中，UV胶不易受温度的影响，固化效果稳定，有效提高了燃料电池的使用寿命。

Description

一种燃料电池膜电极与边框的密封方法与密封结构

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，特别涉及一种燃料电池膜电极与边框的密封方法与密封结构。

背景技术

燃料电池具有能量密度高、启动时间短和环境友好等优点，成为下一代电源系统的热门选择。其中膜电极集合体(Membrane electrode assembly，简称MEA)为燃料电池的关键部件，其性能好坏直接决定了燃料电池的使用。由于燃料电池的反应物质为气体，如果发生泄漏，有可能引起燃烧等安全事故，从而影响了燃料电池的安全性和可靠性。为了防止阴极气体和阳极气体不向电池外部泄漏，也不互相窜气，膜电极与边框之间的密封尤为重要。

在现有技术中，通常是选用热熔胶作为衬垫材料进行边框与燃料电池芯片之间的密封。一方面保护膜电极两端，提高机械强度；另一方面在气体扩散层两端进行气体密封。例如专利文献(CN103715435B)公开了一种聚合物电解质膜电极的封边框工艺，具体为，将膜电极合格品进行阴、阳极标示，并对标示后的膜电极进行边缘切割，使聚合物电解质膜空白边缘能置入两层边框之间；采用模具对膜电极进行定位，确保催化层位于中心位置，将第一层边框固定在膜电极一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，然后将第二层边框固定在膜电极另一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，并确保两层边框对称重叠；最后将该组件置入两层金属薄片内，进行热压成型。

专利文献(CN1510770A)公开了一种燃料电池的密封结构，包括膜电极、导流板、密封圈，所述的膜电极设在中间，所述的导流板压合在该膜电极的两面，所述的密封圈设在导流板与膜电极压合的表面，其特征在于，所述的膜电极包括活性区和密封区，其中，密封区设在活性区的四周，所述的活性区包括质子交换膜、多孔性支撑材料、催化剂，该催化剂附着在多孔性支撑材料上并压合在质子交换膜两面，所述的密封区由活性区的质子交换膜或多孔性支撑材料向外延伸并填充渗透热熔胶塑料或热固性橡胶、树脂组成，该密封区的厚度与活性区的厚度相同。

专利文献(CN104617310B)公开了一种带密封边框的燃料电池膜电极的制备方法，包括如下步骤：S1、分别通过聚合物电解质膜进给辊和具有相同开口位置的带有热熔胶膜的两个密封边框进给辊将聚合物电解质膜和密封边框材料馈送热压台中；S2、将催化剂配制成墨水状的催化剂浆液，在高温环境下，将催化剂浆液涂覆至气体扩散层上制成气体扩散电极；S3、通过热压装置，将步骤S2制得的气体扩散电极热压到步骤S1制得的聚合物电解质膜的两面。

上述专利提供的技术方案均采用热熔胶作为衬垫材料进行密封，然而，热熔胶在燃料电池使用过程中存在溢胶现象，可能会对膜电极造成污染，从而影响电池性能；另一方面，该密封方式需要特定的处理设备，且固化时间久，从而影响了生产效率。

鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本领域亟待解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术中采用热熔胶密封燃料电池膜电极会影响电池性能的技术问题，本发明提供了一种燃料电池膜电极与边框的密封方法与密封结构。

为了实现上述目的，本发明公开的一种燃料电池膜电极与边框的密封方法，包括：

步骤S1：裁剪所述边框，并对所述边框表面进行处理，用于增大所述边框的表面粘力；

步骤S2：将UV胶涂覆到所述边框上；

步骤S3：将所述边框与所述膜电极贴合并固定；

步骤S4：利用紫外光照射所述UV胶并使所述UV胶固化。

进一步地，步骤S1中，裁剪所述边框包括将边框分为上边框与下边框两层。

步骤S3中，将所述边框与所述膜电极贴合并固定包括将所述上边框与下边框分别置于所述膜电极的上下两面后，同时贴合并固定所述上边框与下边框。

更进一步地，步骤S3中，贴合并固定所述上边框与下边框包括对所述上边框与下边框施加压力，使包括所述边框分为上边框与下边框的所述边框与膜电极间的气泡排出。

更进一步地，步骤S3中，所述膜电极包括质子交换膜与催化剂层，所述边框与所述质子交换膜贴合并固定。

进一步地，步骤S1中，对所述边框表面进行处理包括对所述边框表面进行等离子体激活。

进一步地，步骤S4中，利用紫外光照射所述UV胶并使所述UV胶固化包括从所述边框与所述膜电极贴合处向外照射。

本发明还提供一种燃料电池膜电极与边框的密封结构，其特征在于，

所述膜电极包括质子交换膜与催化剂层，所述催化剂层设于所述质子交换膜上下两面的中间区域；

所述边框设于所述质子交换膜上下两面的周边区域；

所述边框覆盖部分所述质子交换膜，且所述边框不覆盖所述催化剂层；

所述膜电极与边框间利用UV胶形成密封结构。

进一步地，所述边框包括上边框与下边框。

更进一步地，所述上边框与下边框内侧都设有凹槽，所述上边框凹槽与下边框凹槽相对设置形成所述边框凹槽，所述质子交换膜周边区域能够嵌入所述边框凹槽中。

本发明提供的技术方案利用UV胶密封燃料电池的膜电极与边框，由于UV胶的固化时间短，固化效果好，其硬度范围在A40-A80之间，且UV胶的固化设备简单，仅需灯具或传送带，无需用热压机或滚压机等设备对膜电极和边框进行热压，没有施加压力，从而避免了固化过程中密封胶溢胶造成质子交换膜污染的问题，简化了工艺流程，降低制造成本。此外，在燃料电池的使用过程中，UV胶不易受温度的影响，固化效果稳定，有效提高了燃料电池的使用寿命。

附图说明

包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了符合本发明的装置和方法的实施方案，并与详细描述一起用于解释符合本发明的优点和原理。在附图中：

图1是本发明实施方式提供的密封方法的流程图；

图2是本发明实施方式提供的密封结构的平面示意图；

图3是本发明实施方式提供的密封结构的截面示意图。

附图标记说明

1、催化剂；2、质子交换膜；3、边框。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，本发明并不局限于以下描述的实施方式。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合，且本发明的技术理念可以与其他公知技术或与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

本实施方式提供了一种燃料电池膜电极与边框的密封方法，参照图1所示，本实施方式提供的密封方法包括：

步骤S1：裁剪所述边框，并对所述边框表面进行处理，用于增大所述边框的表面粘力；

步骤S2：将UV胶涂覆到所述边框上；

步骤S3：将所述边框与所述膜电极贴合并固定；

步骤S4：利用紫外光照射所述UV胶并使所述UV胶固化。

本实施方式中，边框可采用聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚酰亚胺(PI)制成，其中PEN具有优良的力学性能、化学稳定性及气体阻隔性能，PI具有良好的机械性能和介电性能等，这两种材料易于用UV胶粘合，达到良好的密封效果。

进一步地，步骤S1中，裁剪所述边框包括将边框分为上边框与下边框两层，且上边框与下边框可以为对称结构。单片边框厚度可以为25μm，边框的外框尺寸可以为75㎜*75㎜，边框的内框尺寸可以为50㎜*50㎜。膜电极的尺寸可以为65mm*65mm，此时边框能够完全覆盖膜电极的边缘，且由膜电极厚度形成的膜电极与边框的间隙可由UV胶填充，形成密封。

更进一步地，步骤S2中，UV胶的涂覆厚度可以在15μm-20μm之间。

进一步地，步骤S3中，将所述边框与所述膜电极贴合并固定包括将所述上边框与下边框分别置于所述膜电极的上下两面后，同时对所述上边框与下边框施加压力，使边框与膜电极间的气泡排出从而贴合，并将边框与膜电极置于一块平整放置的玻璃板上形成固定。此时如有多余的UV胶溢出，可用无尘布擦除。更进一步地，所述膜电极包括质子交换膜与催化剂层，所述边框与所述质子交换膜贴合并固定。

进一步地，对所述边框表面进行处理包括对所述边框表面进行等离子体激活，使得边框表面粘力大于35dyne，具体可以将边框置于等离子体清洗机中进行表面处理，约半小时后取出即可。

进一步地，利用紫外光照射所述UV胶并使所述UV胶固化包括从所述边框与所述膜电极贴合处向外照射。可以利用主发射波长为365nm的紫外灯照射。照射过程中可以先照射5秒左右，使UV胶初步固化，再重新光照至UV胶完全固化成型，完成膜电极与边框之间的密封两次固化可以在初步固化后，初步定位，从而可在UV胶未完全固化前对边框和膜电极贴合的位置进行微调，提高加工精度。

本实施方式提供的密封方法中，利用UV胶代替热熔胶进行膜电极和边框之间的密封，由于UV胶固化时间快，特别适合工业化生产，大幅提高生产效率，同时由于UV胶中基本不含有机溶剂，在使用过程中不会释放对人体和大气有害物质，环保无污染。此外，采用边框与质子交换膜粘接的方式，能够节省催化剂用量，降低成本。本实施方式提供的密封方法能够适用于透明或半透明的边框与膜电极之间的密封。

本实施方式还提供了一种燃料电池膜电极与边框的密封结构，参照图2-图3所示，膜电极包括质子交换膜与催化剂层，所述催化剂层设于所述质子交换膜上下两面的中间区域；所述边框设于所述质子交换膜上下两面的周边区域；所述边框覆盖部分所述质子交换膜，且所述边框不覆盖所述催化剂层；所述膜电极与边框间利用UV胶形成密封结构。具体的，所述边框包括上边框与下边框，上边框与下边框能够分别覆盖质子交换膜上下两面不设有催化剂层的区域，且边框延伸出质子交换膜周边。边框与质子交换膜间由质子交换膜厚度形成的微小缝隙可利用UV胶填充并密封。

本实施方式中，所述膜电极中质子交换膜的尺寸可以为65mm*65mm，厚度可以在13μm-25μm之间。催化剂层的尺寸可以为50㎜*50㎜，且质子交换膜与催化剂层的中心重合，容易理解的是，为使边框与催化剂层接触，边框的内框尺寸为50㎜*50㎜，单片边框厚度可以为25μm，质子交换膜厚度可以为18μm，单层的UV胶厚度约为15μm-20μm之间。

在另一实施方式中，所述上边框与下边框内侧都设有凹槽，所述上边框凹槽与下边框凹槽相对设置形成所述边框凹槽，所述质子交换膜周边区域能够嵌入所述边框凹槽中。为使质子交换膜周边区域能够嵌入边框凹槽中，凹槽的深度应为15mm左右，从而完全覆盖质子交换膜。

如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中既可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”“垂直”、“平行”、“底”、“角”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。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池膜电极与边框的密封方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：裁剪所述边框，并对所述边框表面进行处理，用于增大所述边框的表面粘力；

步骤S2：将UV胶涂覆到所述边框上；

步骤S3：将所述边框与所述膜电极贴合并固定；

步骤S4：利用紫外光照射所述UV胶并使所述UV胶固化。

2.根据权利要求1所述的密封方法，其特征在于，步骤S1中，裁剪所述边框包括将边框分为上边框与下边框两层。

3.根据权利要求2所述的密封方法，其特征在于，步骤S3中，将所述边框与所述膜电极贴合并固定包括将所述上边框与下边框分别置于所述膜电极的上下两面后，同时贴合并固定所述上边框与下边框。

4.根据权利要求3所述的密封方法，其特征在于，步骤S3中，贴合并固定所述上边框与下边框包括对所述上边框与下边框施加压力，使包括所述上边框与下边框的所述边框与膜电极间的气泡排出。

5.根据权利要求1所述的密封方法，其特征在于，步骤S3中，所述膜电极包括质子交换膜与催化剂层，所述边框与所述质子交换膜贴合并固定。

6.根据权利要求1所述的密封方法，其特征在于，步骤S1中，对所述边框表面进行处理包括对所述边框表面进行等离子体激活。

7.根据权利要求1所述的密封方法，其特征在于，步骤S4中，利用紫外光照射所述UV胶并使所述UV胶固化包括从所述边框与所述膜电极贴合处向外照射。

8.一种燃料电池膜电极与边框的密封结构，其特征在于，

所述膜电极包括质子交换膜与催化剂层，所述催化剂层设于所述质子交换膜上下两面的中间区域；

所述边框设于所述质子交换膜上下两面的周边区域；

所述边框覆盖部分所述质子交换膜，且所述边框不覆盖所述催化剂层；

所述膜电极与所述边框间利用UV胶形成密封结构。

9.根据权利要求8所述的密封结构，其特征在于，所述边框包括上边框与下边框。

10.根据权利要求9所述的密封结构，其特征在于，所述上边框与下边框内侧都设有凹槽，所述上边框凹槽与下边框凹槽相对设置形成所述边框凹槽，所述质子交换膜周边区域能够嵌入所述边框凹槽中。