燃料电池膜电极用边框胶带、膜电极及其制备方法及燃料电池[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111777956 A(43)申请公布日 2020.10.16

(21)申请号 202010663140.2(22)申请日 2020.07.10

(71)申请人 山东魔方新能源科技有限公司

地址 252000 山东省聊城市高新技术产业

开发区中华路东天津路南(72)发明人 曾黎　刘培淳　刘坤　汪圣龙　(74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代

理事务所 12201

代理人 潘俊达　郭宝煊(51)Int.Cl.

C09J 7/20(2018.01)H01M 8/0273(2016.01)H01M 8/1004(2016.01)

权利要求书1页 说明书6页 附图2页

()发明名称

燃料电池膜电极用边框胶带、膜电极及其制备方法及燃料电池(57)摘要

本发明提供了一种燃料电池膜电极用边框胶带，包括基膜和背胶，所述基膜上设置有若干个第一通孔，所述背胶涂覆在所述基膜的一面且存在至少一与所述第一通孔相连通的第二通孔。相比于现有技术，本发明提供的边框胶带，在基膜和背胶中设置有相连通的通孔，当将边框胶带粘贴在膜电极组件上时，两者之间存在的空气可以从这些通孔道中排出，解决了目前膜电极边框贴合存在气泡且无法排出的问题，保证了贴合的平整度和优率。此外，本发明还提供了一种燃料电池膜电极及其制备方法及燃料电池。CN 111777956 ACN 111777956 A

权　利　要　求　书

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1.一种燃料电池膜电极用边框胶带，其特征在于，包括基膜和背胶，所述基膜上设置有若干个第一通孔，所述背胶涂覆在所述基膜的一面且存在至少一与所述第一通孔相连通的第二通孔。

2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极用边框胶带，其特征在于，所述背胶避开所述第一通孔涂覆在所述基膜的一面。

3.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极用边框胶带，其特征在于，所述第一通孔的直径小于或等于所述第二通孔的直径。

4.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极用边框胶带，其特征在于，所述第一通孔的直径为0.5～100μm，所述第二通孔的直径为1～200μm。

5.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极用边框胶带，其特征在于，还包括背膜，所述背膜贴覆在所述基膜的另一面。

6.根据权利要求5所述的燃料电池膜电极用边框胶带，其特征在于，所述背膜上设置有与所述第一通孔相连通的第三通孔。

7.根据权利要求6所述的燃料电池膜电极用边框胶带，其特征在于，所述第三通孔的直径大于或等于所述第一通孔的直径。

8.一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，完成膜电极组件的制备后，在所述膜电极组件两面粘贴边框胶带，所述边框胶带为权利要求1～7任一项所述边框胶带；

S2，完成所述边框胶带的粘贴后，所述背胶粘合关闭所述第一通孔和所述第二通孔，完成燃料电池膜电极的制备。

9.一种燃料电池膜电极，其特征在于，采用权利要求8所述的制备方法制备而得。10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求9所述的膜电极。

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燃料电池膜电极用边框胶带、膜电极及其制备方法及燃料

电池

技术领域

[0001]本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池膜电极用边框胶带、膜电极及其制备方法及燃料电池。

背景技术

[0002]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等；其中，质子交换膜燃料电池能量转化效率高，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。[0003]质子交换膜燃料电池的核心部件包括燃料电池第一面催化剂层、质子交换膜、第二面催化剂层、上边框、下边框和两面的气体扩散层。燃料电池膜电极制造过程通常包括催化剂的制浆、催化剂层的涂覆、边框的贴合、气体扩散层的涂布、气体扩散层的贴合；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，而边框除可以提高电极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，而边框胶带一般是采用不透气的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。[0004]有鉴于此，确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。发明内容

[0005]本发明的目的之一在于：提供一种燃料电池膜电极用边框胶带，解决目前燃料电池边框贴合存在气泡的问题。[0006]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：[0007]一种燃料电池膜电极用边框胶带，包括基膜和背胶，所述基膜上设置有若干个第一通孔，所述背胶涂覆在所述基膜的一面且存在至少一与所述第一通孔相连通的第二通孔。

[0008]本发明提供设置边框胶带，将基膜设置为带有孔状结构的基膜，同时在背胶中设置与第一通孔相连通的第二通孔，如此将边框胶带粘贴在膜电极组件上时，可以使得膜电

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极组件与边框胶带之间的空气从第二通孔开始，经由第一通孔被排出，上边框与质子膜及下边框三者之间的空气只能沿通气道的位置移动而被排出体外，使得边框胶带呈整平式的粘附在膜电极组件上，在去除气泡的同时提高了边框胶带与膜电极组件连接的紧密性。[0009]优选的，所述第一通孔和/或所述第二通孔设置在所述边框胶带密封膜电极的区域。

[0010]优选的，所述背胶涂覆在所述基膜的一面且存在若干个与所述第一通孔相连通的第二通孔。第二通孔设置的数量相对越多，则越有助于气体的排出。[0011]优选的，所述背胶避开所述第一通孔涂覆在所述基膜的一面。背胶可采用断断续续的方式进行涂覆，即是在涂覆的时候尽量避开第一通孔的位置以预留做第二通孔，如此即可保证了大多数的第一通孔均有第二通孔与之对应连通，进一步提高了边框胶带排气性能。此外，采用此种断续的涂覆方式因已存在第一通孔作参照，使得其在工业生产中也可以更加容易实现。[0012]优选的，所述第一通孔的直径小于或等于所述第二通孔的直径。将第二通孔的直径设置大于第一通孔的直径，如此在后续背胶进行粘合时，则背胶可以更加容易闭合第一通孔，而即使背胶无法完全闭合第二通孔，但因闭合了第一通孔同样可以达到密封膜电极组件与边框胶带的目的。[0013]优选的，所述第一通孔的直径为0.5～100μm，所述第二通孔的直径为1～200μm。将第一通孔与第二通孔均设置成微米通孔，在后续对于通孔进行粘合时会更加容易，保证了边框胶带与膜电极组件后续的密封性。[0014]优选的，本边框胶带还包括背膜，所述背膜贴覆在所述基膜的另一面。因边框胶带是非常薄且软的物质，特别是增加了通孔的设计后，边框胶带整体的机械强度下降而变得更加柔软，采用机械手上料变得更加困难，因此在基膜的另一面贴覆背膜，可以增强边框胶带的整体强度，更加有利于工业上的生产。该背膜可以是一整片贴覆在基膜上包括覆盖基膜上用于放置膜电极组件的容腔，也可以是只与基膜吻合进行贴覆即不包括覆盖基膜上的容腔，具体可以根据实际生产需求而变动。[0015]优选的，所述背膜上设置有与所述第一通孔相连通的第三通孔。该背膜可以是完成边框胶带的粘贴之后再揭下，如此则需在背膜上设置与第一通孔相连通的第三通孔，以便空气的排出。当然，可以是在边框胶带与膜电极组件未粘贴完成的情况下先行将背膜揭下，则背膜上也可无需设置第三通孔。[0016]优选的，所述第三通孔的直径大于或等于所述第一通孔的直径。如此可方便气体经由第一通孔从第三通孔排出。[0017]优选的，所述第三通孔的直径为1～200μm。而第一通孔的直径同样可为0.5～100μm。

[0018]本发明的目的之二在于，提供一种燃料电池膜电极的制备方法，包括以下步骤：[0019]S1，完成膜电极组件的制备后，在所述膜电极组件两面粘贴边框胶带，所述边框胶带为上述任一项所述边框胶带；[0020]S2，完成所述边框胶带的粘贴后，所述背胶粘合关闭所述第一通孔和所述第二通孔，完成燃料电池膜电极的制备。

[0021]本发明提供的膜电极制备方法采用了本发明所提供的边框胶带，如此使得两者粘

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贴过程中可以有效排出空气，而后在粘合密封时也可以将原先边框胶带中存在的通孔关闭，以保证两者的密封。相比于现有技术，本发明无需在真空条件下即可完成除气，不仅提高了生产效率且保证了贴合的平整度。[0022]优选的，所述背胶粘合的条件为加热、紫外线照射、红外线照射、激光照射、加压和磁场中的至少一种。具体的粘合条件可以根据实际采用的背胶材料进行选择，该粘合条件时为了重新将背胶恢复为流体，使得流状物质之间可以相互流动接触以完成通孔的关闭，待完成通孔的关闭后再重新固化以稳定连接膜电极组件和边框胶带。[0023]优选的，S1步骤中，采用真空吸附的上料方式将所述边框胶带抓取并粘贴在所述膜电极组件的两面。具体的可以是在上料机械手中增加真空吸附组件，在边框胶带粘贴膜电极组件的过程中真空吸附组件启动，将粘合中的空气抽出，进一步加强气泡的排除，也可以进一步保证贴合的平整度。而本真空吸附组件因是外设装置，膜电极只需置于室内环境下即可而无需放置在真空环境中，因此也并没有降低生产的效率。[0024]优选的，S1步骤中，所述边框胶带粘贴在所述膜电极组件的两面并覆盖住所述膜电极组件的边缘区域。边框胶带覆盖住膜电极组件边缘的有效区域为0～20mm，覆盖的区域能保证催化层活化面积的精确度，保证膜电输出功率的一致性。[0025]优选的，本制备方法还包括在粘贴工位上设置真空吸附组件，S1步骤中，所述真空吸附组件与所述基膜远离所述背胶的一面接触。该真空吸附组件可以是设置在粘贴工位的下端或上端，只需保持其与基膜远离背胶的一面接触即可，以有效将空气抽出。[0026]优选的，所述边框胶带中还贴覆有背膜，步骤S2中，所述背胶粘合关闭所述第一通孔和所述第二通孔之前先揭下所述背膜，或者是完成所述背胶粘合关闭所述第一通孔和所述第二通孔后再揭下所述背膜。更优选的，在所述背胶粘合关闭所述第一通孔和所述第二通孔之前先揭下所述背膜再粘合关闭，如此可以防止在背胶粘合过程中将背膜与基膜一同粘合，而导致后续的背膜难以揭下，增加工艺的制造难度。[0027]本发明的目的之三在于，提供一种燃料电池膜电极，采用上述任一项所述的制备方法制备而得。

[0028]本发明的目的之四在于，提供一种燃料电池，包括上述所述的膜电极。[0029]相比于现有技术，本发明的有益效果在于：[0030]1)本发明提供的边框胶带，在基膜和背胶中设置有相连通的通孔，当将边框胶带粘贴在膜电极组件上时，两者之间存在的空气可以从这些通孔道中排出，解决了目前膜电极边框贴合存在气泡且无法排出的问题，保证了贴合的平整度和优率。[0031]2)本发明还提供了一种膜电极的制备方法，该制备方法采用了本发明提供的边框胶带，先利用原先设置的通孔将空气排出，而后再利用背胶的性质重新粘合关闭通孔，在解决排气泡问题的同时保证了膜电极组件与边框胶带之间的密封性。[0032]3)本发明还提供了一种膜电极，本发明所制备得到的膜电极具有良好的粘合平面，贴合平整性高，在目前燃料电池的应用中具有广阔的前景。附图说明

[0033]图1为本发明边框胶带的结构示意图之一。[0034]图2为本发明边框胶带的结构示意图之二。

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图3为本发明膜电极的结构示意图。

[0036]图中：1-边框胶带；11-基膜；111-第一通孔；12-背胶；121-第二通孔；13-背膜；131-第三通孔；2-膜电极组件。具体实施方式

[0037]为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式和说明书附图，对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。[0038]在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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通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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0039]本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。[0040]实施例1

[0041]如图1～2所示，一种燃料电池膜电极用边框胶带，包括基膜11和背胶12，基膜11上设置有若干个第一通孔111，背胶12涂覆在基膜11的一面且存在至少一与第一通孔111相连通的第二通孔121。[0042]进一步地，第一通孔111和/或第二通孔121设置在边框胶带1密封膜电极的区域。背胶12涂覆在基膜11的一面且存在若干个与第一通孔111相连通的第二通孔121。第二通孔121设置的数量相对越多，则越有助于气体的排出。更优选的，背胶12避开第一通孔111涂覆在基膜11的一面。背胶12可采用断断续续的方式进行涂覆，即是在涂覆的时候尽量避开第一通孔111的位置以预留做第二通孔121，如此即可保证了大多数的第一通孔111均有第二通孔121与之对应连通，进一步提高了边框胶带1排气性能。此外，采用此种断续的涂覆方式因已存在第一通孔111作参照，使得其在工业生产中也可以更加容易实现。[0043]进一步地，第一通孔111的直径小于或等于第二通孔121的直径。将第二通孔121的直径设置大于第一通孔111的直径，如此在后续背胶12进行粘合时，则背胶12可以更加容易闭合第一通孔111，而即使背胶12无法完全闭合第二通孔121，但因闭合了第一通孔111同样可以达到密封膜电极组件2与边框胶带1的目的。[0044]进一步地，第一通孔111的直径为0.5～100μm，第二通孔121的直径为1～200μm。将第一通孔111与第二通孔121均设置成微米通孔，在后续对于通孔进行粘合时会更加容易，保证了边框胶带1与膜电极组件2后续的密封性。优选的，第一通孔111的直径为10～50μm，第二通孔121的直径为30～100μm。[0045]进一步地，本边框胶带1还包括背膜13，背膜13贴覆在基膜11的另一面。因边框胶带1是非常薄且软的物质，特别是增加了通孔的设计后，边框胶带1整体的机械强度下降且变得更加柔软，采用机械手上料变得更加困难，因此在基膜11的另一面贴覆背膜13，可以增强边框胶带1的整体强度，更有利于工业上的生产。该背膜13可以是一整片贴覆在基膜11上

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包括覆盖基膜11上用于放置膜电极组件2的容腔，也可以是只与基膜11吻合贴覆即不包括覆盖基膜11上的容腔，具体可以根据实际生产需求而变动。[0046]进一步地，背膜13上设置有与第一通孔111相连通的第三通孔131。该背膜13可以是完成边框胶带1的粘贴之后再揭下，如此则需在背膜13上设置与第一通孔111相连通的第三通孔131，以便空气的排出。当然，也可以是在边框胶带1与膜电极组件2未粘贴完成的情况下先行将背膜13揭下，则背膜13上也可无需设置第三通孔131。[0047]进一步地，第三通孔131的直径大于或等于第一通孔111的直径。如此可方便气体经由第一通孔111从第三通孔131排出。第三通孔131的直径为1～200μm，而第一通孔111的直径同样可为0.5～100μm。[0048]实施例2

[0049]一种燃料电池膜电极的制备方法，包括以下步骤：[0050]S1，完成膜电极组件2的制备后，在膜电极组件2两面粘贴边框胶带1，所述边框胶带1为实施例1所述边框胶带1；[0051]S2，完成边框胶带1的粘贴后，背胶12粘合关闭第一通孔111和第二通孔121，完成燃料电池膜电极的制备。[0052]具体的，膜电极组件2为在质子交换膜的两面复合催化剂层制成。其中，质子交换膜包括全氟磺酸树脂质子交换膜、磺化聚苯基喹喔啉质子交换膜、磺化聚联苯酚质子交换膜、聚苯并咪唑质子交换膜、聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚醚醚酮质子交换膜、磺化聚砜质子交换膜、磺化聚醚砜质子交换膜或者沉积有全氟磺酸树脂的多孔PTFE复合质子交换膜。催化剂层中含有贵金属催化剂或碳载贵金属催化剂，其中，贵金属载量为0.01～1mg/cm2，贵金属为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种，或者贵金属为Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Pd中的至少一种与Ru、Co、Ni或Mn形成的二元及以上合金。[0053]进一步地，背胶12粘合的条件为加热、紫外线照射、红外线照射、激光照射、加压和磁场中的至少一种。具体的粘合条件可以根据实际采用的背胶12材料进行选择，该粘合条件时为了重新将背胶12恢复为流体，使得流状物质之间可以相互流动接触以完成通孔的关闭，待完成通孔的关闭后再重新固化以稳定连接膜电极组件2和边框胶带1。[00]进一步地，S1步骤中，采用真空吸附的上料方式将边框胶带1抓取并粘贴在膜电极组件2的两面，边框胶带1粘贴在膜电极组件2的两面并覆盖住膜电极组件2的边缘区域。边框胶带1覆盖住膜电极组件2边缘的有效区域为0～20mm，覆盖的区域能保证催化层活化面积的精确度，保证膜电输出功率的一致性。具体的可以是在上料机械手中增加真空吸附组件，在边框胶带1粘贴膜电极组件2的过程中真空吸附组件启动，将粘合中的空气抽出，进一步加强气泡的排除，也可以进一步保证贴合的平整度。而本真空吸附组件因是外设装置，膜电极只需置于室内环境下即可而无需放置在真空环境中，因此也并没有降低生产的效率。另一方面，本制备方法也可在粘贴工位上设置真空吸附组件，S1步骤中，真空吸附组件与基膜11远离背胶12的一面接触。该真空吸附组件可以是设置在粘贴工位的下端或上端，只需保持其与基膜11远离背胶12的一面接触即可，以有效将空气抽出。[0055]进一步地，边框胶带1中还贴覆有背膜13，步骤S2中，背胶12粘合关闭第一通孔111和第二通孔121之前先揭下背膜13，或者是完成背胶12粘合关闭第一通孔111和第二通孔121后再揭下背膜13。更优选的，在背胶12粘合关闭第一通孔111和第二通孔121之前先揭下

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背膜13再粘合关闭，如此可以防止在背胶12粘合过程中将背膜13与基膜11一同粘合，而导致后续的背膜13难以揭下，增加工艺的制造难度。[0056]实施例3

[0057]如图3所示，一种燃料电池膜电极，采用实施例2所述的制备方法制备而得。[0058]实施例4

[0059]一种燃料电池，包括实施例3所述的膜电极。[0060]对比例1

[0061]与实施例1和实施例2不同的是，本对比例的边框胶带1不设置第一通孔111和第二通孔121及背膜13，然后将本对比例的边框胶带1应用于膜电极的制备中。[0062]其余同实施例1和实施例2，这里不再赘述。[0063]对比例2

[00]与实施例1和实施例2不同的是，本对比例的边框胶带1不设置背膜13，然后将本对比例的边框胶带1应用于膜电极的制备中。[0065]其余同实施例1和实施例2，这里不再赘述。[0066]性能测试

[0067]分别采用实施例2和对比例1～2的方法制备100个膜电极，观察膜电极的外观并计算膜电极的良率。测试结果如表1所示。[0068]表1

 外观良率实施例2粘合表面平整无气泡99％对比例1粘合表面有小凸起存在气泡75％对比例2粘合表面存在褶皱翘曲无气泡85％

[0070]由表1的测试结果可以看出，采用本发明的边框胶带可以有效改善粘合过程中存在气泡的问题，而设置通孔后的边框胶带非但没有影响其使用性能，反而由于有效的排出气泡极大的改善了产品的良率。由此可见，本发明所提供的边框胶带及膜电极的制备方法在燃料电池领域中具有广阔的应用前景。[0071]根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何。

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