CN119252966A - 一种单边框膜电极的封装方法及封装结构 - Google Patents

一种单边框膜电极的封装方法及封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及膜电极领域，公开了一种单边框膜电极的封装方法及封装结构，边框基材分别与第一密封件和第二密封件连接，形成第一组合体，第一组合体与第一气体扩散层连接，形成第二组合体，将催化剂涂层CCM与第二气体扩散层连接，形成第三组合体，将第二组合体与第三组合体通过模具组装对位，热压合形成带密封件的单边框膜电极。本发明的有益效果为：将电堆组装用的密封件与膜电极提前组装在一起，大大简化了后端燃料电池电堆的组装工艺，且组装精度高，密封件与边框的粘接性好，不易移动，避免了电堆组装过程中由于密封件对位不齐导致的返工情况，提升了电堆组装效率及良品率，降低了成本。

Description

一种单边框膜电极的封装方法及封装结构
技术领域
本发明涉及膜电极领域，特别是涉及一种单边框膜电极的封装方法及封装结构。
背景技术
目前，燃料电池电堆密封工艺可以分为叠片密封工艺和整体胶合封装工艺。叠片密封工艺，一般采用硅胶为密封材料，通过点胶或注胶方式成型在双极板上，电堆堆叠以后，通过装配压力压紧密封材料，来实现电堆气场的密封。这种方式的优点是电堆可以比较方便的拆卸，可以比较直观的检查分析电池板或膜电极的运行状态，方便优化设计方案。缺点是密封胶条和双极板之间的贴合靠施加压力实现，两者之间的粘接性较差，容易产生错位等问题，在固化过程中，双极板尤其是石墨双极板中的杂质很容易引入到胶条里，形成缺陷点，因此这种工艺对设备的要求比较高(例如高精度的视觉定位、点胶或注胶设备、额外的固化工艺)，产线设备的投资往往比较高。另外一种，全胶合封装工艺，采用专用的胶料和电堆结构设计，把电池板和MEA整体胶合，实现气场的永久性密封(不可拆卸)，具有生产效率高、密封效果可靠、生产流程具有弹性以及设备产线投资成本低等优势，但是对胶材料有较高的要求。
发明内容
本申请的目的是提供一种单边框膜电极的封装方法及封装结构，以简化组装工艺，提高组装精度，提升组装效率。
本申请的目的是通过如下技术方案实现的：
一种单边框膜电极的封装方法，包括如下步骤：
S1：将边框基材的第一面和第二面分别与第一密封件和第二密封件连接，形成第一组合体，所述第一面与所述第二面为所述边框基材相背的大平面；
S2：将所述第一组合体的一侧与第一气体扩散层连接，形成第二组合体，其中，所述第一气体扩散层连接于所述边框基材的所述第一面；
S3：在质子交换膜的两侧涂上阴极催化层和阳极催化层，干燥后得到三层结构的催化剂涂层CCM；
S4：将所述催化剂涂层CCM与第二气体扩散层连接，形成第三组合体；
S5：将所述第二组合体与所述第三组合体通过模具组装对位，经伺服压机热压合，形成带密封件的单边框膜电极，其中，所述催化剂涂层CCM连接于所述边框基材的所述第二面。
本申请的一些实施例中，在步骤S1中，所述边框基材与所述第一密封件的贴合区域涂有底涂剂，所述边框基材与所述第二密封件的贴合区域涂有底涂剂，所述第一密封件通过注胶机直接注胶到所述第一面，所述第二密封件通过注胶机直接注胶到所述第二面，所述边框基材、所述第一密封件和所述第二密封件一体固化成型。
本申请的一些实施例中，所述边框基材、所述第一密封件和所述第二密封件的固化温度为100℃～150℃，固化时间为1min～10min。
本申请的一些实施例中，所述边框基材、所述第一密封件和所述第二密封件的固化温度为110℃，固化时间为3min。
本申请的一些实施例中，在步骤S2中，所述第一组合体与所述第一气体扩散层通过粘接剂贴合。
本申请的一些实施例中，在步骤S4中，所述催化剂涂层CCM与所述第二气体扩散层通过粘接剂贴合。
本申请的一些实施例中，所述第一组合体与所述第一气体扩散层通过冷压的方式粘接，所述催化剂涂层CCM与所述第二气体扩散层通过冷压的方式粘接。
本申请的一些实施例中，在步骤S5中，热压合温度为100℃～150℃，热压合压力为1T～5T，热压合时间为10s～60s。
本申请的一些实施例中，热压合温度为130℃，热压合压力为3T，热压合时间为30s。
一种采用如上述所述的封装方法制作的单边框膜电极的封装结构，其特征在于，包括边框基材、第一密封件、第二密封件、第一气体扩散层、催化剂涂层CCM和第二气体扩散层，所述第一密封件和所述第二密封件分别设于所述边框基材的第一面和第二面，所述第一气体扩散层连接于所述边框基材的第一面，所述催化剂涂层CCM连接于所述边框基材的第二面，所述第二气体扩散层连接于所述催化剂涂层CCM背离所述第一气体扩散层的一侧，其中，所述第一密封件和所述第二密封件位于所述边框基材的外侧，所述第一气体扩散层、所述催化剂涂层CCM和所述第二气体扩散层位于所述边框基材的内侧。
本申请的单边框膜电极的封装方法及封装结构，将电堆组装用的密封件与膜电极提前组装在一起，大大简化了后端燃料电池电堆的组装工艺，且组装精度高，密封件与边框的粘接性好，不易移动，避免了电堆组装过程中由于密封件对位不齐导致的返工情况，提升了电堆组装效率及良品率，降低了成本，并且最终得到单边框膜电极与密封件一体化封装结构，其密封性能好，结构简单，使用可靠。
附图说明
图1是本申请单边框膜电极的封装结构的俯视图；
图2是本申请单边框膜电极的封装结构的截面图；
图3是本申请第一组合体的结构示意图；
图4是本申请第二组合体的结构示意图；
图5是本申请第三组合体的结构示意图。
图中，1、边框基材；11、第一面；12、第二面；2、第一密封件；3、第二密封件；4、第一气体扩散层；5、催化剂涂层CCM；6、第二气体扩散层；
100、第一组合体；200、第二组合体；300、第三组合体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本申请的描述中，应当理解的是，本申请中采用的术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连接或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-图5所示，本申请实施例的第一方面提出一种单边框膜电极的封装方法，包括如下步骤：
S1：将边框基材1的第一面11和第二面12分别与第一密封件2和第二密封件3连接，形成第一组合体100，所述第一面11与所述第二面12为所述边框基材1相背的大平面；
S2：将所述第一组合体100的一侧与第一气体扩散层4连接，形成第二组合体200，其中，所述第一气体扩散层4连接于所述边框基材1的所述第一面11；
S3：在质子交换膜的两侧涂上阴极催化层和阳极催化层，干燥后得到三层结构的催化剂涂层CCM5；
S4：将所述催化剂涂层CCM5与第二气体扩散层6连接，形成第三组合体300；
S5：将所述第二组合体200与所述第三组合体300通过模具组装对位，经伺服压机热压合，形成带密封件的单边框膜电极，其中，所述催化剂涂层CCM5连接于所述边框基材1的所述第二面12。
基于上述技术方案，本申请的单边框膜电极的封装方法，将电堆组装用的密封件与膜电极提前组装在一起，大大简化了后端燃料电池电堆的组装工艺，且组装精度高，密封件与边框的粘接性好，不易移动，避免了电堆组装过程中由于密封件对位不齐导致的返工情况，提升了电堆组装效率及良品率，降低了成本，最终得到单边框膜电极与密封件一体化封装结构。需要说明的是，CCM为catalyst coated membrane的简称，是燃料电池发生电化学反应的场所，为燃料电池芯片。
本申请的一些实施例中，如图2-图4所示，在步骤S1中，所述边框基材1与所述第一密封件2的贴合区域涂有底涂剂，所述边框基材1与所述第二密封件3的贴合区域涂有底涂剂，所述第一密封件2通过注胶机直接注胶到所述第一面11，所述第二密封件3通过注胶机直接注胶到所述第二面12，所述边框基材1、所述第一密封件2和所述第二密封件3一体固化成型。与常规电堆单密封胶条做密封件相比，本申请具有第一密封件2和第二密封件3，并且边框基材1与密封件之间还设计了两条密封胶条，当其中一条密封胶条出现异常或失效时，另外一条密封胶条还可以起到密封的作用，这就大大提升了电堆的密封可靠性及密封耐久性，并且通过注胶机注胶后的一体固化成型方式，也使得成型的效果更好，密封效果更稳定。
具体的，所述边框基材1、所述第一密封件2和所述第二密封件3的固化温度为100℃～150℃，固化时间为1min～10min。将固化的条件设置为上述的区间可以有效提升固化效果，使成型效果和密封效果更佳。
更具体的，所述边框基材1、所述第一密封件2和所述第二密封件3的固化温度为110℃，固化时间为3min。固化温度和时间分别选用110℃和3min，可以进一步达到提升成型效果和密封效果的目的。
本申请的一些实施例中，如图4所示，在步骤S2中，所述第一组合体100与所述第一气体扩散层4通过粘接剂贴合。粘接剂能够简单方便的将第一组合体100与第一气体扩散层4连接在一起，实现二者的可靠连接。
具体的，如图5所示，在步骤S4中，所述催化剂涂层CCM5与所述第二气体扩散层6通过粘接剂贴合。同样的，粘接剂能够简单方便的将催化剂涂层CCM5与第二气体扩散层6连接在一起，实现二者的可靠连接。
更具体的，如图4、图5所示，所述第一组合体100与所述第一气体扩散层4通过冷压的方式粘接，所述催化剂涂层CCM5与所述第二气体扩散层6通过冷压的方式粘接。单边框膜电极阴阳极气体扩散层通过粘接剂与催化剂涂层CCM5或边框通过短暂的冷压即可粘接牢固，从而提高生产效率，而且由于减少了热压的工序，催化剂涂层CCM5受到温度变化造成胀缩的影响更加小，膜电极产品鼓包和翘曲的现象也会减少，产品外观更加平整。
本申请的一些实施例中，在步骤S5中，热压合温度为100℃～150℃，热压合压力为1T～5T，热压合时间为10s～60s。上述热压合的温度、压力和时间均处于合适的取值区间，可以将连接在一起的组合体高效可靠的安装起来。
具体的，热压合温度为130℃，热压合压力为3T，热压合时间为30s。采用更精确的温度、压力和时间，可以进一步提升热压合的效果，提高组装效率。
如图1-图5所示，本申请实施例的第二方面提出一种采用上述所述的封装方法制作的单边框膜电极的封装结构，包括边框基材1、第一密封件2、第二密封件3、第一气体扩散层4、催化剂涂层CCM5和第二气体扩散层6，所述第一密封件2和所述第二密封件3分别设于所述边框基材1的第一面11和第二面12，所述第一气体扩散层4连接于所述边框基材1的第一面11，所述催化剂涂层CCM5连接于所述边框基材1的第二面12，所述第二气体扩散层6连接于所述催化剂涂层CCM5背离所述第一气体扩散层4的一侧，其中，所述第一密封件2和所述第二密封件3位于所述边框基材1的外侧，所述第一气体扩散层4、所述催化剂涂层CCM5和所述第二气体扩散层6位于所述边框基材1的内侧。采用上述封装方法，能够得到单边框膜电极与密封件一体化封装结构，其密封性能好，结构简单，使用可靠。
综上，本申请的单边框膜电极的封装方法及封装结构，将电堆组装用的密封件与膜电极提前组装在一起，大大简化了后端燃料电池电堆的组装工艺，且组装精度高，密封件与边框的粘接性好，不易移动，避免了电堆组装过程中由于密封件对位不齐导致的返工情况，提升了电堆组装效率及良品率，降低了成本，并且最终得到单边框膜电极与密封件一体化封装结构，其密封性能好，结构简单，使用可靠。
以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种单边框膜电极的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将边框基材的第一面和第二面分别与第一密封件和第二密封件连接，形成第一组合体，所述第一面与所述第二面为所述边框基材相背的大平面；
S2：将所述第一组合体的一侧与第一气体扩散层连接，形成第二组合体，其中，所述第一气体扩散层连接于所述边框基材的所述第一面；
S3：在质子交换膜的两侧涂上阴极催化层和阳极催化层，干燥后得到三层结构的催化剂涂层CCM；
S4：将所述催化剂涂层CCM与第二气体扩散层连接，形成第三组合体；
S5：将所述第二组合体与所述第三组合体通过模具组装对位，经伺服压机热压合，形成带密封件的单边框膜电极，其中，所述催化剂涂层CCM连接于所述边框基材的所述第二面。
2.根据权利要求1所述的单边框膜电极的封装方法，其特征在于，在步骤S1中，所述边框基材与所述第一密封件的贴合区域涂有底涂剂，所述边框基材与所述第二密封件的贴合区域涂有底涂剂，所述第一密封件通过注胶机直接注胶到所述第一面，所述第二密封件通过注胶机直接注胶到所述第二面，所述边框基材、所述第一密封件和所述第二密封件一体固化成型。
3.根据权利要求2所述的单边框膜电极的封装方法，其特征在于，所述边框基材、所述第一密封件和所述第二密封件的固化温度为100℃～150℃，固化时间为1min～10min。
4.根据权利要求3所述的单边框膜电极的封装方法，其特征在于，所述边框基材、所述第一密封件和所述第二密封件的固化温度为110℃，固化时间为3min。
5.根据权利要求1所述的单边框膜电极的封装方法，其特征在于，在步骤S2中，所述第一组合体与所述第一气体扩散层通过粘接剂贴合。
6.根据权利要求5所述的单边框膜电极的封装方法，其特征在于，在步骤S4中，所述催化剂涂层CCM与所述第二气体扩散层通过粘接剂贴合。
7.根据权利要求6所述的单边框膜电极的封装方法，其特征在于，所述第一组合体与所述第一气体扩散层通过冷压的方式粘接，所述催化剂涂层CCM与所述第二气体扩散层通过冷压的方式粘接。
8.根据权利要求1所述的单边框膜电极的封装方法，其特征在于，在步骤S5中，热压合温度为100℃～150℃，热压合压力为1T～5T，热压合时间为10s～60s。
9.根据权利要求8所述的单边框膜电极的封装方法，其特征在于，热压合温度为130℃，热压合压力为3T，热压合时间为30s。
10.一种采用如权利要求1-9中任一项所述的封装方法制作的单边框膜电极的封装结构，其特征在于，包括边框基材、第一密封件、第二密封件、第一气体扩散层、催化剂涂层CCM和第二气体扩散层，所述第一密封件和所述第二密封件分别设于所述边框基材的第一面和第二面，所述第一气体扩散层连接于所述边框基材的第一面，所述催化剂涂层CCM连接于所述边框基材的第二面，所述第二气体扩散层连接于所述催化剂涂层CCM背离所述第一气体扩散层的一侧，其中，所述第一密封件和所述第二密封件位于所述边框基材的外侧，所述第一气体扩散层、所述催化剂涂层CCM和所述第二气体扩散层位于所述边框基材的内侧。
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