具有激光焊接封边结构的膜电极边框及膜电极与燃料电池的制作方法

1.本实用新型属于燃料电池技术领域，涉及一种具有激光焊接封边结构的膜电极边框及膜电极与燃料电池。


背景技术：

2.燃料电池是一种清洁、高效的能源利用方式，发展燃料电池对于改善环境，实施能源可持续发展具有重要意义。燃料电池通常需要将多个单体电池串联起来组成电堆，其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成，主要构成部件为双极板和膜电极，其中膜电极的边框起重要的绝缘密封作用，一般采用中间胶膜两面塑料膜的多层膜结构。
3.中国专利cn106992305b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，该膜电极边框具有密封可靠、简便易行、无气泡、制备过程简单高效节能等优点。
4.但在实际使用过程中，燃料电池的高温以及与乙二醇或水直接接触的工作环境，对中间胶膜粘接密封耐老化性能具有非常大的考验，经常会膜电极出现分层、中间胶膜渗透、变色、析出等情况，严重影响燃料电池的正常工作。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的就是提供一种具有激光焊接封边结构的膜电极边框及膜电极与燃料电池，用于解决因中间胶膜老化而产生的膜电极分层、密封失效及液体渗透的问题。
6.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种具有激光焊接封边结构的膜电极边框，包括：
8.阳极边框层与阴极边框层；
9.胶黏层，设于阳极边框层与阴极边框层之间，并用于连接阳极边框层与阴极边框层；
10.激光焊接封边，用于密封连接阳极边框层与阴极边框层的边缘。
11.进一步地，所述阳极边框层与阴极边框层上均相对开设有燃料进口通道、氧化剂进口通道、冷却剂进口通道、反应区通道、燃料出口通道、氧化剂出口通道以及冷却剂出口通道；
12.所述的激光焊接封边设于阳极边框层与阴极边框层的外边缘，以及燃料进口通道、氧化剂进口通道、冷却剂进口通道、燃料出口通道、氧化剂出口通道、冷却剂出口通道的边缘。
13.进一步地，所述激光焊接封边的宽度为1-2mm(优选为1mm)，厚度为0.1-0.2mm(优选为0.1mm)。
14.进一步地，所述阳极边框层与阴极边框层的材料均包括聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)或聚酰亚胺(pi)。
15.进一步地，所述阳极边框层与阴极边框层的厚度为0.05-0.1mm。
16.进一步地，所述胶黏层的材料包括环氧胶、丙烯酸胶或橡胶中的至少一种。
17.进一步地，所述胶黏层的厚度为0.005-0.01mm。
18.一种膜电极，包括质子交换膜、设于质子交换膜两侧的阳极催化剂层与阴极催化剂层、分别设于阳极催化剂层与阴极催化剂层上的气体扩散层，以及用于固定质子交换膜边缘的膜电极边框；其中所述膜电极边框采用如上所述的膜电极边框。
19.一种燃料电池，包括至少一个如上所述的膜电极。
20.与现有技术相比，本实用新型具有以下特点：
21.1)本实用新型中的封边结构是通过激光焊接技术成型的，该技术具体为一种利用高能量密度的激光束作为热源的高效精密焊接方法，尤为擅长焊接塑料薄膜等材料，对膜电极边框可进行稳定高效的封边处理，保证胶黏层的粘结耐老化性；不同于常规的热熔胶热压封边工艺，该技术所形成的封边结构可以有效杜绝胶黏剂析出、分层、密封失效而被冷却剂等液体渗透的问题；
22.2)激光焊接技术具有焊接局部温度较高，但整体温度较低的特点，可避免焊接时产生的高温对质子交换膜造成损坏，同时还具有封边效率高、质量可靠等优点。
附图说明
23.图1为实施例中一种膜电极边框的结构示意图；
24.图2为激光焊接封边的成型工艺示意图；
25.图中标记说明：
26.1-阳极边框层、2-阴极边框层、3-胶黏层、4-激光焊接封边、5-聚焦头、6-激光束。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型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，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
28.实施例：
29.一种燃料电池，包括多个交替串联堆叠设置的双极板与膜电极，其中双极板包括质子交换膜、设于质子交换膜两侧的阳极催化剂层与阴极催化剂层、分别设于阳极催化剂层与阴极催化剂层上的气体扩散层，以及用于质子交换膜边缘的膜电极边框。
30.如图1所示，上述膜电极边框包括阳极边框层1与阴极边框层2、胶黏层3以及激光焊接封边4；其中阳极边框层1与阴极边框层2均采用0.05mm厚的聚萘二甲酸乙二醇酯膜，在阳极边框层1与阴极边框层2上相对开设有燃料进口通道、氧化剂进口通道、冷却剂进口通道、反应区通道、燃料出口通道、氧化剂出口通道以及冷却剂出口通道；胶黏层3的厚度为0.01mm，由涂覆于阳极边框层1与阴极边框层2之间的环氧胶形成，用于连接阳极边框层1与
阴极边框层2；
31.激光焊接封边4用于密封连接阳极边框层1与阴极边框层2的边缘，并采用如图2所示的激光焊接工艺成型。在该工艺中，首先在阴极边框层2上涂覆环氧胶形成胶黏层3，在将阳极边框层1固定粘附于胶黏层3上，之后通过经聚焦头5聚焦后的激光束6照射阳极边框层1与阴极边框层2的外边缘，以及燃料进口通道、氧化剂进口通道、冷却剂进口通道、燃料出口通道、氧化剂出口通道、冷却剂出口通道的边缘，使两侧的聚萘二甲酸乙二醇酯膜边缘熔融合一，冷却后即形成宽度为1mm，厚度为0.1mm的激光焊接封边4。通过该激光焊接封边4以达到在燃料电池工作过程中，冷却剂、燃料、氧化剂与胶黏层3相隔离的效果，进而避免胶黏剂析出的情况，使膜电极边框得密封绝缘性能及寿命显著提升。
32.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实用新型。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，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。


技术特征：
1.一种具有激光焊接封边结构的膜电极边框，其特征在于，该膜电极边框包括：阳极边框层(1)与阴极边框层(2)；胶黏层(3)，设于阳极边框层(1)与阴极边框层(2)之间，并用于连接阳极边框层(1)与阴极边框层(2)；激光焊接封边(4)，用于密封连接阳极边框层(1)与阴极边框层(2)的边缘。2.根据权利要求1所述一种具有激光焊接封边结构的膜电极边框，其特征在于，所述阳极边框层(1)与阴极边框层(2)上均相对开设有燃料进口通道、氧化剂进口通道、冷却剂进口通道、反应区通道、燃料出口通道、氧化剂出口通道以及冷却剂出口通道；所述的激光焊接封边(4)设于阳极边框层(1)与阴极边框层(2)的外边缘，以及燃料进口通道、氧化剂进口通道、冷却剂进口通道、燃料出口通道、氧化剂出口通道、冷却剂出口通道的边缘。3.根据权利要求1所述一种具有激光焊接封边结构的膜电极边框，其特征在于，所述激光焊接封边(4)的宽度为1-2mm，厚度为0.1-0.2mm。4.根据权利要求3所述一种具有激光焊接封边结构的膜电极边框，其特征在于，所述激光焊接封边(4)的宽度为1mm，厚度为0.1mm。5.根据权利要求1所述一种具有激光焊接封边结构的膜电极边框，其特征在于，所述阳极边框层(1)与阴极边框层(2)的材料均包括聚萘二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。6.根据权利要求1所述一种具有激光焊接封边结构的膜电极边框，其特征在于，所述阳极边框层(1)与阴极边框层(2)的厚度为0.05-0.1mm。7.根据权利要求1所述一种具有激光焊接封边结构的膜电极边框，其特征在于，所述胶黏层(3)的材料包括环氧胶、丙烯酸胶或橡胶。8.根据权利要求1所述一种具有激光焊接封边结构的膜电极边框，其特征在于，所述胶黏层(3)的厚度为0.005-0.01mm。9.一种膜电极，其特征在于，该膜电极包括质子交换膜、设于质子交换膜两侧的阳极催化剂层与阴极催化剂层、分别设于阳极催化剂层与阴极催化剂层上的气体扩散层，以及用于固定质子交换膜边缘的膜电极边框；所述膜电极边框采用如权利要求1至8任一项所述膜电极边框。10.一种燃料电池，其特征在于，该燃料电池包括至少一个如权利要求9所述膜电极。

技术总结
本实用新型涉及一种具有激光焊接封边结构的膜电极边框及膜电极与燃料电池，其中膜电极边框，包括阳极边框层与阴极边框层、用于连接阳极边框层与阴极边框层的胶黏层，以及用于密封连接阳极边框层与阴极边框层的边缘的激光焊接封边。与现有技术相比，本实用新型所采用的激光焊接技术对膜电极边框进行稳定高效的封边处理，保证胶黏层的粘结耐老化性，从而杜绝胶黏剂析出、分层、密封失效而被冷却剂等液体渗透的问题。液体渗透的问题。液体渗透的问题。


技术研发人员：陈汇豪 胡正坤 甘全全 戴威
受保护的技术使用者：上海神力科技有限公司
技术研发日：2021.01.29
技术公布日：2022/7/8