2022年氢燃料电池产业高峰论坛
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丰田第二代Mirai单电池一体化胶粘剂

丰田第二代Mirai燃料电池堆由330节单电池串联组成,单电池一体化快速粘接技术对于电堆大规模商用化运用和降低成本至关重要。本文分享丰田第二代Mirai单电池使用的UV固化胶热熔胶

丰田第二代Mirai单电池一体化胶粘剂

丰田第二代Mirai单电池构成

UV固化胶是一种必须通过紫外线照射才能固化的一类胶粘剂,且至少一个被粘接物透光时才有效。其主要成分为预聚物光引发剂稀释剂组成,基本过程为UV固化材料中的光引发剂在紫外线照射下产生活性自由基,引发预聚体和活性稀释剂发生交联化学反应,使粘合剂几秒钟内由液态转化为固态。
燃料电池气腔密封用粘接剂需维持高耐水解性、高耐酸性和高稳定性。预聚物是光固化胶中占比最大的组分,常用的自由基固化预聚物有丙烯酸脂,丰田第二代Mirai单电池用UV固化胶ARONIX UVX采用的正是丙烯酸酯的液态预聚物,光引发剂为自由基聚合引发剂。

由于为液态胶水,UV固化胶可以灵活涂敷使用,且不含溶剂,无须干燥流程,几秒即可实现固化。由于UV固化胶在三个空间维度上进行了化学交联,因此具有优异的耐热性和耐化学腐蚀性。由于选择了恰当的化学结构,耐水解性能也表现尤为出色。此外,针对特定应用场景根据被粘物体和用途也提高或调整了粘合强度。

如图所示,在丰田第二代Mirai燃料电池单体内,UV固化胶呈现出相框状的塑料片材形态。将膜电极粘合到PEN片材上(东洋纺株式会社提供),并在PEN片材两侧各形成一层热熔形粘合剂最终组成3层片材结构,将膜电极边缘的高分子电解质膜与该三层片材上的热熔胶粘合,将氢气和空气隔开。

丰田第二代Mirai单电池一体化胶粘剂

第二代Mirai单电池ARONIX UVX固化胶位置

UV固化胶使用在单电池结构密封中的第一个课题就是高分子电解质膜的粘合耐久性。高分子电解质膜为侧链具有磺酸基的含氟聚合物,浸润热水时会溶胀,因此存在UV固化胶和电解质膜的界面剥离问题。通过深度开发,第二代Mirai单电池用UV胶通过配合某种成分,即使在90℃热水中浸渍3000小时也能良好维持和电解质膜的平整粘合性。

丰田第二代Mirai单电池一体化胶粘剂
丰田单电池密封结构演变

第二个课题是UV固化胶水的丝网印刷技术。丰田第二代Mirai单电池使用了丝网印刷的涂布方法,将UV固化胶水以秒级高速涂布成相框状,并将胶水厚度控制在几十μm内。通常,为消除气泡,可添加消泡剂,但为了不损害电池的性能和耐久性,应尽可能不使用此类消泡剂。因此,第二代Mirai中UV固化胶水混合了大量化学上安全的精细微粒使其表现出良好的触变性(分散体系在搅动下粘度随时间变化的一种流变现象),大大提高丝网印刷性能。(质子膜边缘有一部分仅由ARONIX UVX保护,维持质子膜丝网印刷工艺中不产生气泡更加凸显重要)

第三个课题是防止催化剂中毒。由于UV固化胶位于发电表面的催化剂附近,如果固化后残留有单体和光引发剂的分解产物,就会使催化剂中毒。通过选择适当的预聚物和光引发剂,这个问题已经被解决。
丰田第二代Mirai单电池一体化胶粘剂
丰田第二代Mirai热熔胶结构示意
如上图所示,丰田第二代Mirai单电池用热熔胶Aron Melt位于3层边框内PEN核心材料的两侧,通过热压和冷压步骤在几秒内将金属极板和PEN材料牢固粘接。粘接操作将左侧区域和右侧发电区域隔开,氢气和空气在右侧电池内发电区域流通。
热熔胶是一类可塑性的粘合剂,常温下为固体,加热到一定温度可在被粘物表面流动且有一定粘性,当冷却达到室温时变成固体实现粘接。具有通过几秒钟热压即可实现高强粘合的优势,其在食品包装和建筑材料和电子设备中已广泛得到应用。但PEN边框片材和极板粘合需要加热熔化,通常又难以在高于该加热温度下继续保持耐热性。因此,丰田第二代Mirai电池提升了热熔胶的熔点温度,并通过提高结晶速率实现快速粘合。该型热熔胶的参数如下表所示。
丰田第二代Mirai单电池一体化胶粘剂
除此之外,还要求热熔胶对金属极板具有很强的粘接力,并且长期暴露在高温热水环境下也不会降低耐水解性。这可通过制备含有特殊改性聚烯烃的复合物解决。此外,长期暴露在高温热水和空气中,需要具有长期的抗氧化性能。如果金属离子在使用过程中溶出,也会导致性能下降和寿命降低,因此在原材料和制备过程中要确保不混入杂质金属。

应用在二代Mirai的Aron Melt形成于PEN片材的两面,片材需保持长期气密性的抗蠕变性,同时还具有抑制热压时的热膨胀变形,保证产品机械强度。通过将片材和粘合剂层制成一体三层片材,满足了对密封材料的各种要求。该三层片材是通过与PEN制造商共同开发完成的。

来源:网络

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 “ARONIX”是东亚合成具有代表性的产品,
主要是光固化单体及特殊丙烯酸酯,
遍布于PCB油墨、UV胶印油墨、丝印油墨、
手机、家电、车灯、胶粘剂、感光膜等领域,
产品生产于张家港东亚迪爱生化学有限公司,
其注册商标产品「ARONIX」持续以高品质好口碑服务于社会。

https://www.toagosei.co.jp/english/products/polymer/resin/aronix.html

http://www.toagosei-zh.com/Aronix.aspx

 

原文始发于微信公众号(燃料电池干货):丰田第二代Mirai单电池一体化胶粘剂

大家好,艾邦氢能源技术网(www.htech360.com)的微信公众号已经开通,主要分享氢燃料电池堆(双极板,质子膜,扩散层,密封胶,催化剂等),储氢罐(碳纤维,环氧树脂,固化剂,缠绕设备,内层塑料及其成型设备,储氢罐,车载供氢系统,阀门),制氢,加氢,氢燃料汽车动力系统等相关的设备,材料,配件,加工工艺的知识。同时分享相关企业信息。欢迎大家识别二维码,并通过公众号二维码加入微信群和通讯录。 艾邦氢能产业链通讯录,目前有2200人加入,如亿华通、清极能源、氢蓝时代、雄韬、氢牛、氢璞、爱德曼、氢晨、喜马拉雅、明天氢能、康明斯、新源动力、巴拉德、现代汽车、神力科技、中船712等等,可以按照标签筛选,请点击下方关键词试试 资料下载:

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