一种聚合物电解质膜电极的防溶胀封边方法

1.本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种聚合物电解质膜电极的防溶胀封边方法。


背景技术：

2.近年，全球可再生能源消费量持续增长，可再生能源指原材料可以再生的能源，如风力发电、水力发电、核能、生物质能、太阳能、氢能等等。同时为实现能源结构绿色化和能源利用高效化，需要实现从传统化石能源集中利用到清洁能源智慧利用的转变。智慧能源需要建立能源互联网络，而电能是能源互联网的主体，氢燃料电池与pem电解制氢技术将成为能源互联网络中的重要组成部分。
3.膜电极是燃料电池和纯水电解池的核心部件，是其性能、寿命、成本以及可靠性的决定因素。膜电极从结构上大体可分为三合一组件(又称ccm，catalyst coating membrane)和五合一组件，膜电极三合一组件主要由催化层|聚合物电解质膜|催化层构成，膜电极五合一组件主要由气体扩散层|催化层|聚合物电解质膜|催化层|气体扩散层构成。在膜电化学反应器的发展进程中，已发展了多种膜电极的制备方法。在传统的燃料电池或电解池的组装中，需要膜电极部件中聚合物电解质膜面积大于催化层和扩散层的面积，即预留聚合物电解质膜空白边缘(未附着催化剂)，使用边框密封，该聚合物电解质膜空白边缘与两侧边框密封件配合在一起并在压力的作用下将阳极流场和阴极流场分隔开，起到防止氢氧气体混合发生爆炸的重要作用。因此膜电极不仅关系到电化学反应器的性能、寿命、及运行安全。然而传统的膜电极结构仍然不能满足电化学反应器的成本和安全的需求：一是膜电极空白聚合物边缘极易折皱，影响电化学反应器的密封性能；二是由于聚合物电解质膜与传统边框材料的弹性模量、硬度不匹配，电解质膜在水的作用下具有溶胀和收缩的反复应力，边框材料容易使聚合物电解质膜开裂破损，影响电化学反应器的可靠性和安全性；三是边框材料需要搭配胶层粘结使用，常见的燃料电池使用的胶黏剂易水解失效，导致密封边框与质子膜分离。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种聚合物电解质膜电极的封边方法，提高了电化学反应器的密封性、可靠性、安全性并降低成本。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种聚合物电解质膜电极的防溶胀封边方法，包括以下步骤：
7.1)将膜电极标示出阴极、阳极，并对标示后的膜电极进行边缘切割，将两层微孔薄膜分别覆盖在聚合物电解质膜空白区域的上下两侧，使微孔薄膜覆盖全部未附着催化剂的聚合物电解质膜区域；
8.2)将步骤1)处理后的膜电极平铺在基板上，采用模具对膜电极进行定位，确保催化层位于微孔薄膜圈闭区域内部中心位置，将第一层微孔薄膜固定在膜电极一侧的聚合物
电解质膜空白边缘上部，然后将第二层微孔薄膜固定在膜电极另一侧的聚合物电解质膜空白边缘下部，并确保两层微孔薄膜层叠对应一致；
9.3)检查、确保步骤2)中微孔薄膜|膜电极|微孔薄膜三合一之间无聚合物电解质膜卷曲或存在杂物，随后置入两层金属板夹层内，并进行热压成型；
10.4)对步骤3)热压成型后的微孔薄膜进行检查，确保微孔薄膜无褶皱、微孔薄膜与质子膜之间无气泡，然后将合格品放置于恒温恒湿环境中保存待用。
11.上述技术方案中，进一步地，所述微孔薄膜的孔径为0.02～5μm，孔隙率为50％～95％。
12.上述技术方案中，进一步地，所述微孔薄膜的厚度为3～10μm，优选为3～5μm。
13.上述技术方案中，进一步地，所述聚合物电解质膜为离子交换膜，包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、均相膜、增强膜中的任意一种。
14.上述技术方案中，进一步地，所述模具的材质为金属、ptfe中的任意一种。
15.上述技术方案中，进一步地，步骤3)中，所述热压成型的条件为：温度为120～170℃，优选为160℃，压力为1～4mpa，优选为3mpa。
16.上述技术方案中，进一步地，所述微孔薄膜的材质为聚醚砜(pes)、尼龙、混合纤维素(mce)、聚四氟乙烯(e-ptfe)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚丙烯(pp)、玻璃纤维和醋酸纤维(ca)中的任意一种。
17.上述技术方案中，进一步地，所述聚合物电解质膜的厚度为5～200μm。
18.本发明的有益效果为：
19.(1)本发明利用聚合物电解质膜本身树脂具有流动性的特点，采用微孔膜作为边框材料，当电解质膜与微孔薄膜热压合时，树脂会流动进入微孔薄膜的孔隙内，结合牢固，不会水解，解决了现有技术中，边框与胶层粘结时，长时间运行胶层发生水解造成的剥离、开胶等问题。
20.(2)本发明使用微孔薄膜作为边框材料，厚度可以降至3～10μm，硬度远小于传统封边工艺所用边框硬度，可很好的适应质子膜溶胀所产生的尺寸变化，且不会伤及质子交换膜，避免了聚合物电解质膜的反复溶胀过程中，对电解质膜的破坏，造成密封失效、氢氧混合的潜在风险，提高了膜电极的稳定性。
21.(3)本发明封边方法中的微孔薄膜由于孔的透气性问题，必须对未涂覆催化剂的高分子膜区域进行全覆盖才能起到防止密封件区域的高分子膜溶胀变形功能，部分覆盖无法起到这个效果。
附图说明
22.图1为本发明封边方法的工艺流程图。
具体实施方式
23.以下实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
24.实施例1
25.按图1所示的流程图，封边方法包括以下步骤：
26.1)检查膜电极尺寸完整性，确保膜电极无针孔和破损，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，将两层裁成圆环形的e-ptfe微孔薄膜分别覆盖在聚合物电解质膜空白区域的上下两侧，使e-ptfe微孔薄膜覆盖全部未附着催化剂的电解质膜区域；
27.2)将步骤1)处理后的膜电极平铺在基板上，采用不锈钢模具对膜电极进行定位，确保催化层位于中心位置，将第一层微孔薄膜固定在膜电极一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，然后将第二层微孔薄膜固定在膜电极另一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，并确保两层微孔薄膜层叠对应一致；
28.3)检查步骤2)中微孔薄膜|膜电极|微孔薄膜三合一状态是否合格，确保微孔薄膜|膜电极|微孔薄膜三合一之间无聚合物电解质膜卷曲或存在杂物等；
29.4)将步骤3)合格的微孔薄膜|膜电极|微孔薄膜三合一组件置入两层金属薄膜内，并在160℃，2mpa下进行热压成型；
30.5)检查步骤4)热压成型后的微孔薄膜是否合格，确保微孔薄膜无褶皱、无气孔等；并对合格品进行修边；
31.6)将步骤5)中的膜电极装箱待用。
32.其中，e-ptfe微孔薄膜的厚度为3μm，孔径为20～200nm，孔隙率为50～80％；
33.测试结果：将实施例1封边处理后的膜电极泡入80℃去离子水中，1200小时后，微孔薄膜并未从电解质膜表面剥离。
34.对比例1
35.对比例1所使用的封边材料与实施例1相同，但结构不同，区别在于：为不含微孔结构的致密e-ptfe薄膜。
36.按图1所示的流程图，封边方法包括以下步骤：
37.1)检查膜电极尺寸完整性，确保膜电极无针孔和破损，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，将两层裁成圆环形的致密e-ptfe薄膜覆盖在聚合物电解质膜空白区域的上下两侧，使致密e-ptfe薄膜覆盖全部未附着催化剂的电解质膜区域；
38.2)将步骤1)外理的膜电极平铺在基板上，采用不锈钢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3μm厚致密e-ptfe薄膜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3μm厚致密e-ptfe薄膜固定在膜电极另一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，并确保两层致密e-ptfe薄膜层叠对应一致；
39.3)检查步骤2)中致密e-ptfe薄膜|膜电极|致密e-ptfe薄膜三合一状态是否合格，确保三合一之间无聚合物电解质膜卷曲或存在杂物等；
40.4)将步骤3)合格的致密e-ptfe薄膜|膜电极|致密e-ptfe薄膜三合一组件置入两层金属薄膜内，并在160℃，2mpa下进行热压成型；
41.5)检查步骤4)热压成型后发现，所热压致密e-ptfe薄膜与质子交换膜没有发生粘接，轻易便可分离，达不到膜电极封边的要求。
42.对比例1封边方法无法实现封边材料致密e-ptfe与质子交换膜之间的有效结合。
43.对比例2
44.1)检查膜电极尺寸完整性，确保膜电极无针孔和破损，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(未有催化剂)能置入两层边框之间，置入深度为3mm；
45.2)将步骤1)外理的膜电极平铺在基板上，采用不锈钢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(材质为聚酰亚胺膜+eva胶粘剂胶层，厚度为30μm)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(材质为聚酰亚胺膜+eva粘剂胶层，厚度为30μm)固定在膜电极另一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，并确保两层边框层叠对应一致；
46.3)检查步骤2)中边框|膜电极|边框三合一状态是否合格，确保边框|膜电极|边框三合一之间无聚合物电解质膜卷曲或存在杂物等；
47.4)将步骤3)合格的边框|膜电极|边框三合一组件置入两层金属薄膜内，并在100℃、4mpa下进行热压成型；
48.5)检查步骤4)热压成型后的边框是否合格，确保边框无褶皱、边框内无气孔等；并对合格品进行修边；
49.6)将步骤5)中的膜电极装箱待用。
50.测试结果：将此电极泡入80℃去离子水中，1200小时后，边框胶层已水解，边框已从电解质膜表面剥离。
51.以上实施例仅仅是本发明的优选施例，并非对于实施方式的限定。本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种聚合物电解质膜电极的防溶胀封边方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将膜电极标示出阴极、阳极，并对标示后的膜电极进行边缘切割，将两层微孔薄膜分别覆盖在聚合物电解质膜空白区域的上下两侧，使微孔薄膜覆盖全部未附着催化剂的聚合物电解质膜区域；2)将步骤1)处理后的膜电极平铺在基板上，采用模具对膜电极进行定位，确保催化层位于微孔薄膜圈闭区域内部中心位置，将第一层微孔薄膜固定在膜电极一侧的聚合物电解质膜空白边缘上部，然后将第二层微孔薄膜固定在膜电极另一侧的聚合物电解质膜空白边缘下部，并确保两层微孔薄膜层叠对应一致；3)检查、确保步骤2)中微孔薄膜|膜电极|微孔薄膜三合一之间无聚合物电解质膜卷曲或存在杂物，随后置入两层金属板夹层内，并进行热压成型；4)对步骤3)热压成型后的微孔薄膜进行检查，确保微孔薄膜无褶皱、微孔薄膜与质子膜之间无气泡，然后将合格品放置于恒温恒湿环境中保存待用。2.根据权利要求1所述的防溶胀封边方法，其特征在于，所述微孔膜的孔径为0.02～5μm，孔隙率为50％～95％，厚度为3～10μm。3.根据权利要求1所述的防溶胀封边方法，其特征在于，所述微孔膜的厚度为3～5μm。4.根据权利要求1所述的防溶胀封边方法，其特征在于，所述聚合物电解质膜为离子交换膜，包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、均相膜、增强膜中的任意一种。5.根据权利要求1所述的防溶胀封边方法，其特征在于，所述模具的材质为金属、ptfe中的任意一种。6.根据权利要求1所述的防溶胀封边方法，其特征在于，步骤3)中，所述热压成型的条件为：温度为120～170℃，压力为1～4mpa。7.根据权利要求1所述的防溶胀封边方法，所述微孔薄膜的材质为聚醚砜(pes)、尼龙、混合纤维素(mce)、聚四氟乙烯(e-ptfe)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚丙烯(pp)、玻璃纤维和醋酸纤维(ca)中的任意一种。8.根据权利要求1所述的防溶胀封边方法，其特征在于，所述聚合物电解质膜的厚度为5～200μm。

技术总结
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种聚合物电解质膜电极的防溶胀封边方法。将膜电极边缘切割，用两层微孔薄膜分别覆盖膜电极的非反应区上下两侧；采用模具对膜电极进行定位，确保催化层位于微孔薄膜圈闭区域内部中心位置，将第一层微孔薄膜固定在膜电极一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，然后将第二层薄微孔薄膜固定在膜电极另一侧的聚合物电解质膜空白边缘上，并确保两层微孔薄膜对称重叠；最后将该组件植入两层金属薄片内，进行热压成型。本发明微孔薄膜与聚合物膜结合力强、密封性好，生产过程简单，成本低。成本低。成本低。


技术研发人员：迟军 韦世慧 孙凯 赵云 宋微 俞红梅 邵志刚
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/8/28