一种燃料电池/电解池膜电极边框制造技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池/电解池膜电极边框及其制备方法，膜电极边框为单层结构，边框的材质为聚醚型TPU，边框的弹性模量与燃料电池的离子交换膜相近，为离子交换膜的0.25

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池/电解池膜电极边框


[0001]本专利技术属于离子交换膜燃料电池和电解池
，具体涉及一种燃料电池/电解池用热塑性聚氨酯弹性体TPU边框的制备。

技术介绍

[0002]能源危机和环境恶化使世界各国加大了对新能源的研究力度，燃料电池由于其高效率、低污染而被广泛看作是最有前景的新能源装置之一。目前应用最为广泛的PEMFCs电堆是利用施加在端板上的夹紧力将端板、集流板、双极板以及膜电极(MEA)等组装形成的整体结构。为了防止PEMFCs核心组件MEA因受到过大的压力而影响电池性能，通常需要在MEA的外边缘四周设置边框。边框结构的设置不仅可以起到保护MEA的作用，同时还能够增加电池密封，防止因漏气造成的PEMFCs使用安全问题。因此，边框材料的选择对PEMFCs性能的提高及安全性问题的解决起着关键作用。由于上下边框与PEM材料不同，在受压过程中，两种材料的不同变形导致在接触面存在剪应力，沿着膜的方向在截面突变处引起应力集中。另外，边框在加工制作过程中，其边缘处可能存在凸起，并且由于其尺寸因素，边缘处的倒角容易被忽略，从而也可能在边角处出现较明显的应力集中现象，容易造成膜的破损，影响电池寿命。与PEMFCs膜电极结构相似的AEMFCs和电解池的膜电极，也存在同样的问题。
[0003]目前常用的燃料电池/电解池边框为双层结构，由聚合物膜和胶层构成，其中聚合物膜为:聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚茶二甲酸乙二醇酯、聚醚砜、聚醚醚酮、聚苯硫醚、丙烯腈
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丁二烯
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苯乙烯、聚丙烯、双向拉伸聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、乙烯乙烯醇共聚物、全氟乙烯丙烯共聚物、聚酰胺、耐热聚酷胺或聚酰亚胺。大部分材料的弹性模量都在1000MPa以上。胶层为:苯乙烯
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异戊二烯
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苯乙烯共聚物、苯乙烯
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丁二烯
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苯乙烯共聚物、氯丁橡胶胶粘剂、天然橡胶型压敏胶粘剂、苯烯酸酯压敏胶黏剂、亚克力胶、有机硅压敏胶黏剂、乙烯
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醋酸乙烯共聚物、PVC为主体压敏胶黏剂、光固化型UV胶、环氧树脂、酚醛树脂、尿醛树脂、丁基橡胶、三聚氰氨树脂、丁苯橡胶、聚异丁烯、聚异戊二烯、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚酯或聚异丁烯。运用双层结构主要是因为该装配方式对膜产生的应力较小，能够延长电池寿命，缺点是双层不仅工艺复杂，而且双层结构的胶层比较硬，边缘会形成倒角，为了防止倒角损伤膜电极，需要在电池边缘进行二次密封，增加工艺复杂度。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种燃料电池/电解池膜电极边框及其的制备方法，选用聚醚型热塑性聚氨酯弹性体TPU(热塑性聚氨酯)材料制成燃料电池/电解池边框，除了具有耐水解、耐寒、耐热、无质子膜脆化、密封性好之外，还可根据燃料电池/电解池离子交换膜来调节TPU边框材料的弹性模量，防止离子交换膜和边框交界处因为应力集中而出现膜破损的情况，延长电池的使用寿命。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一方面，本专利技术提供了一种燃料电池/电解池膜电极边框，所述边框为单层结构，所述边框的材质为聚醚型TPU。
[0007]基于上述方案，优选地，所述边框的弹性模量与燃料电池/电解池的离子交换膜相近，为质子交换膜的0.25
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4倍。
[0008]基于上述方案，优选地，所述膜电极边框的弹性模量在30～800MPa之间，膜电极边框的硬度为邵氏A60至邵氏A70硬度范围内。
[0009]基于上述方案，优选地，所述边框的厚度为60
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250μm。
[0010]基于上述方案，优选地，所述边框的厚度为60
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200μm。
[0011]另一方面，本专利技术提供了一种上述燃料电池/电解池膜电极边框的制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)将聚醚型TPU颗粒直接加热熔融，或者将聚醚型TPU颗粒和固化剂研磨混合后加热熔融，得到熔融后的TPU材料；
[0013](2)将步骤(1)熔融后的TPU材料加工成不同弹性的TPU边框。
[0014]基于上述方案，优选地，所述固化剂用于改变边框材料的弹性，所述固化剂为0.02μm≤d≤0.1μm的超细碳酸钙颗粒或滑石粉颗粒，所述固化剂的添加量为5wt％
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20wt％。
[0015]基于上述方案，优选地，步骤(2)中，所述加工方式为压延、挤出、吹塑或模塑。
[0016]基于上述方案，优选地，步骤(1)中，所述加热温度为160℃～240℃，加热时间为2～5分钟至TPU颗粒处于熔融状态。
[0017]再一方面，本专利技术提供了一种上述燃料电池/电解池膜电极边框的应用，利用所述边框对燃料电池/电解池膜电极进行密封。
[0018]有益效果
[0019](1)本专利技术采用聚醚型TPU材料作为燃料电池/电解池的边框，具有卓越的机械性能，在邵氏A60至邵氏A70硬度范围内强度高、弹性好，制备得到的边框的承载能力、抗冲击性及减震性能突出；耐寒性能优越，TPU的玻璃态转变温度比较低，在零下35℃仍保持良好的弹性、柔顺性和其他物理性能；耐热，大多数可在
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40℃～80℃长期使用，短期使用温度达120℃；相对于常用聚酯材料来说，聚醚型TPU材料耐水解性能更加优越；此外，聚醚型TPU还拥有卓越的密封性。弹性模量在800MPa以下时，本专利技术制备的单层边框与膜直接接触装配和现有技术中双层边框产生的应力没有明显差别，能够达到同样的效果，延长电极使用寿命，但是能很大程度上简化边框制备流程，节约成本。
[0020](2)本专利技术采用聚醚型TPU材料作为燃料电池/电解池的边框，TPU材料中，TPU高分子硬段和软段的比例不同，其弹性模量也不同，TPU的弹性模量在30～800MPa之间，可选择与膜材料弹性模量相近的TPU材料，以此来防止膜和边框材料之间形成集中应力导致的膜电极破损，从而有效延长电池寿命。如果没有合适弹性的TPU颗粒，可将聚醚型TPU颗粒和一定量的固化剂混合加工。
[0021](3)本专利技术采用的聚醚型TPU材料可加工方法比较多元，常用的有压延、挤出、吹塑和模塑(包括注射、压缩、传递和离心等)，可根据工艺需求自由选择。
[0022](4)本专利技术设计的边框结构为单层边框，与现有的双层边框相比，制备工艺更加简单。
附图说明
[0023]图1是本专利技术提供的膜电极热压结构示意图。
[0024]图中各数字表示的含义如下：1、气体扩散层GDL；2、边框；3、阴阳极喷涂催化层的质子交换膜即CCM。
具体实施方式
[0025]以下结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。
[0026]实施例1
[0027]选用适宜弹性的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池/电解池膜电极边框，其特征在于：所述边框为单层结构，所述边框的材质为聚醚型TPU。2.根据权利要求1所述的膜电极边框，其特征在于：所述边框的弹性模量与燃料电池/电解池的离子交换膜相近，为离子交换膜的0.25
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4倍。3.根据权利要求1所述的膜电极边框，其特征在于：所述边框的弹性模量在30～800MPa之间，边框的硬度为邵氏A60至邵氏A70硬度范围内。4.根据权利要求1所述的膜电极边框，其特征在于：所述边框的厚度为60
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250μm。5.根据权利要求4所述的膜电极边框，其特征在于：所述边框的厚度为60
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200μm。6.一种权利要求1所述的燃料电池/电解池膜电极边框的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：(1)将聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞红梅，周亚文，宋微，邵志刚，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：