一种燃料电池膜电极用边框膜结构及其制备方法与流程

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1.本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池膜电极用边框膜结构及其制备方法。

背景技术：

2.燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池具有零排放、无振动噪音、负荷响应性好、高可靠度等优点。燃料电池通常可分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸碳燃料电池、固态氧化物燃料电池以及质子交换膜燃料电池(以下统称为pemfc)等；其中，pemfc能量转化效率高，可以在室温下快速启动，并且无电解水流失，寿命长，近年来发展迅速，越来越受到重视。
3.市场上常见的pemfc核心部件包括质子交换膜、阴极催化剂层、阳极催化剂层、上边框、下边框和两面的气体扩散层。质子交换膜对温度和湿度很敏感，容易随环境温度和湿度的改变而变形，而边框封装既可以提高催化剂涂布膜有效面积之外的膜强度来稳定膜电极尺寸外，还可以避免质子膜与极板的直接接触造成机械损伤而影响整个燃料电池使用寿命，故一种有效贴合的燃料电池膜电极边框可以大大提升燃料电池的运行可靠性和寿命。目前为了方便边框的制造，质子膜交换膜往往需要延伸到催化层以外的区域，这部分留白区域及催化层的周边一定尺寸提供边框的贴合面。现有技术中一般留白区域及催化层的周边一定尺寸的两侧是分别直接与上边框和下边框贴合，在边框贴合过程中，上下两层边框中往往有空气的存在，一般的边框膜制作方法是直接把pen或pi膜作为基膜然后在其单面涂覆压敏胶或热熔胶制成，如此会导致空气无法有效排除且极易形成气泡，不仅影响密封效果且贴合不美观，而且气泡出有应力集中效应，会缩短膜电极的使用寿命，一般需要在真空环境下才具有良好的贴合效果，但在实际工业生产中，真空环境下制造成本高且效率低下，并不适宜工业化的大批量生产。
4.针对这种缺点，出现了带有通孔结构的边框膜，专利cn213141900u提出了一种燃料电池膜电极用边框胶带，如图1所示，这种边框膜与传统的边框膜相比，在基膜和背胶膜层上做了通孔处理，这种结构的边框膜有效的解决了贴合时的气泡问题，提高了贴合良率。但这种方法工艺流程复杂，需在基膜和背胶膜层上做通孔处理，且孔洞大小较难控制，加工难度大，生产效率慢。
5.专利cn106992305a公开了一种燃料电池膜电极边框制备方法，包括以下步骤：(1)取切割完成的离子交换膜置于底板的定位加工区域上，铺平；(2)取切割好的压敏胶膜边框以胶层面朝外安置在滚辊表面并铺平，滚辊沿底板滚动，使得离子交换膜与压敏胶膜边框粘合，并制成半成品；(3)将步骤(2)中的半成品的胶层面朝上放置在底板的定位加工区域，取另一层切割好的压敏胶膜边框以胶层面朝外安置在复位的滚辊表面并铺平，滚辊重复沿底板滚动，使得半成品与另一层压敏胶膜边框粘合，即得到膜电极边框。但该专利针对不同尺寸需要更换封边框治具，且效率低下，不适合大规模生产。
15℃。
30.作为优选的技术方案，步骤(5)中收卷的长度和纹路边框膜等长。
31.使用时如果密封边框预贴和时有气泡，可以通过凹槽纹路顺路排出，密封效果良好。
32.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
33.(1)本发明的边框膜在热熔胶膜上具有凹槽纹路结构，具有导气效果，将边框膜粘结在膜电极组件上时，两者之间的空气可以通过导气凹槽排出，在解决排气泡问题的同时保证了膜电极组件与边框之间的密封性，提高了密封贴合的平整度和良品率；
34.(2)本发明不需要每一层都做特殊结构处理，制作方法简单、利于生产。
附图说明
35.图1为现有技术中一种边框膜的结构示意图；
36.图2为本发明实施例中燃料电池膜电极用边框膜结构的示意图；
37.图3为本发明实施例中凹槽纹路的示意图。
38.图中标记说明：
39.p1—边框胶带、p11—基膜、p111—第一通孔、p12—背胶、p121—第二通孔、p13—背膜、p131—第三通孔；
40.1—基膜、2—热熔胶膜、3—离型膜、4—纹路边框膜。
具体实施方式
41.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
42.下述各实施例中所采用的设备如无特别说明，则表示均为本领域的常规设备；所采用的试剂如无特别说明，则表示均为市售产品或采用本领域的常规方法制备而成，以下实施例中没有做详细说明的均是采用本领域常规实验手段就能实现。
43.实施例：
44.一种燃料电池膜电极用边框膜结构，如图2所示，包括基膜1、热熔胶膜2和离型膜3，热熔胶层2上设有如图3所示的凹槽纹路，基膜1和热熔胶膜2组合为纹路边框膜4，使用时如果密封边框预贴和时有气泡，可以通过凹槽纹路顺路排出，密封效果良好。
45.一种燃料电池膜电极用边框膜结构的制备方法，包括以下步骤：
46.n1、将基膜1上到淋膜机料架上；
47.n2、将热熔胶粒经送料装置传送，经过高温，均匀地淋膜在基膜1上，淋膜温度为190℃，热熔胶膜2的厚度为16μm；
48.n3、热熔胶膜经过具有如图3所示凹槽纹路的压纹辊，将热熔胶膜2压成有规律的凹槽纹路，制成纹路边框膜4，该凹槽纹路具有导气效果，凹槽纹路的坡度为45
°
，深度为18μm，凹槽纹路为平底凹槽，相邻凹槽纹路间隔15μm，凹槽纹路的截面为菱形；
49.n4、通过贴合辊在纹路边框膜4上贴合一层离型膜3，先将成卷的离型膜3上到一双工位架，调节离型膜3张力为65n，将离型膜3引至冷却贴合辊，打开冷却水，对贴合辊进行冷
却，冷却贴合辊的温度为5℃，同时将纹路边框膜4和离型膜3进行贴合；
50.n5、贴合之后进行收卷、包装。
51.基膜1的材料为pen，热熔胶膜2的材料为tpu，离型膜3的材料为pp。
52.对比例1：
53.一种燃料电池膜电极用边框膜结构及其制备方法，与实施例基本相同，不同之处在于，没有n3步骤，不经过压纹辊直接成型。
54.对比例2：
55.一种燃料电池膜电极用边框膜结构，采用市售产品日东mf-mn41-01。
56.燃料电池膜电极用边框膜结构的性能检测，包括以下步骤：
57.采用真空热压贴合的方式(边框膜对边框膜)，制备100张样品，观察贴合后样品的外观并计算良率。
58.测试结果如下表所示：
59.案例外观良率实施例表面平整无气泡99％对比例1粘合表面轻微凸起及少量气泡78％对比例2粘合表面无气泡、轻微褶皱88％
60.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种燃料电池膜电极用边框膜结构，其特征在于，该边框膜结构(1)包括纹路边框膜(4)以及纹路边框膜(4)上的离型膜(3)，所述的纹路边框膜(4)包括基膜(1)以及基膜(1)上的热熔胶膜(2)，该热熔胶膜(2)上设有凹槽纹路。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极用边框膜结构，其特征在于，所述凹槽纹路的坡度为20-80
°
。3.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极用边框膜结构，其特征在于，所述凹槽纹路的深度为10-50μm。4.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极用边框膜结构，其特征在于，所述的凹槽纹路为平底凹槽，相邻凹槽纹路间隔1-30μm，所述凹槽纹路的截面为菱形。5.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极用边框膜结构，其特征在于，所述基膜(1)的材料为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮、聚苯基硫醚或聚萘二甲酸乙二醇酯。6.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极用边框膜结构，其特征在于，所述热熔胶膜(2)的材料为热塑性弹性体或热塑性树脂，其中热塑性弹性体为聚氨酯弹性体、丁苯橡胶或乙丙橡胶，热塑性树脂为聚醚砜树脂或乙烯-醋酸乙烯。7.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极用边框膜结构，其特征在于，所述离型膜(3)的材料为聚丙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。8.一种如权利要求1至7任一项所述的燃料电池膜电极用边框膜结构的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：(1)将基膜(1)上到淋膜机料架上；(2)在基膜(1)上高温淋膜热熔胶膜(2)；(3)热熔胶膜(2)压出凹槽纹路，制成纹路边框膜(4)；(4)在纹路边框膜(4)上贴合离型膜(3)；(5)贴合之后进行收卷、包装。9.根据权利要求8所述的一种燃料电池膜电极用边框膜结构的制备方法，其特征在于，步骤(2)中高温淋膜的温度为80-350℃，热熔胶膜(2)的厚度为5-30μm。10.根据权利要求8所述的一种燃料电池膜电极用边框膜结构的制备方法，其特征在于，步骤(4)中贴合的步骤具体为：先将成卷的离型膜(3)上到工位架，调节离型膜(3)张力，将离型膜(3)引至冷却贴合辊，打开冷却水，对贴合辊进行冷却，同时将纹路边框膜(4)和离型膜(3)进行贴合。

技术总结

本发明涉及一种燃料电池膜电极用边框膜结构及其制备方法，该边框膜结构(1)包括纹路边框膜(4)以及纹路边框膜(4)上的离型膜(3)，所述的纹路边框膜(4)包括基膜(1)以及基膜(1)上的热熔胶膜(2)，该热熔胶膜(2)上刻有凹槽纹路；该制备方法具体为：将基膜(1)上到淋膜机料架上；在基膜(1)上高温淋膜热熔胶膜(2)；热熔胶膜(2)压出凹槽纹路，制成纹路边框膜(4)；在纹路边框膜(4)上贴合离型膜(3)；贴合之后进行收卷、包装。与现有技术相比，本发明制作出来的边框膜，在贴合使用时，边框膜通过凹槽纹路能够导出聚集的空气，不产生气泡，提升了密封贴合的平整度和良品率。合的平整度和良品率。合的平整度和良品率。