CN109847974B - 一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具及使用该夹具制备膜电极的方法 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具及使用该夹具制备膜电极的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具及其制备方法，夹具由两组双向夹紧装置、真空吸附加热平台组成。本发明利用配有磁铁、胶垫的双向夹紧装置代替螺栓、夹子和多种方框组合的固定方式，结构简单组装快速，减少加工过程中对质子交换膜的损伤，提升工作效率和质量，适合质子交换膜燃料电池膜电极的批量化制备。本发明在平面四个方向固定待喷涂质子交换膜的边缘，通过调整膜表面的张紧度，使得膜平铺于真空吸附加热板上时，不会因外力、环境而产生褶皱，同时，夹具拆卸简单，即装即用，减少正面喷涂和反面喷涂的安装、调整时间，大幅提升膜电极的喷涂效率、喷涂质量和产品一致性。

Description

一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具及使用该夹具制备 膜电极的方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具及其制备方法。
背景技术
膜电极组件(MEA)是质子交换膜燃料电池的心脏，是氧化还原反应进行的场所，是电流输出的源头。膜电极由两侧的气体扩散层、催化层和中间的质子交换膜组成，氧气的还原和氢气的氧化分别在阴阳极催化层进行，反应过程中所需的质子传导由中间的质子交换膜实现，电子经由外电路传导，产生电流。
作为质子交换膜燃料电池的核心部件，膜电极组件性能的优劣除了与组成元件性能有关，其喷涂夹具和制备工艺也直接决定膜电极性能、成本和一致性。膜电极中的质子交换膜非常薄，常用厚度不超过50微米，机械强度较差，对温度和湿度非常敏感，实验室进行喷涂作业时，极易发生褶皱，严重影响喷涂质量和喷涂效率，膜电极中催化剂的粒径尺寸通常在纳米级别，通过与溶剂均匀混合形成催化剂浆料喷涂于质子交换膜上，当膜不平整时极易造成喷涂不均和催化剂团聚，影响涂层厚度一致性，减少催化剂比表面积，降低催化效率。
为此人们多通过设计各种夹具来解决该问题，如现有技术中的专利申请号201410024434.5，该专利设计了喷涂夹具和热压夹具，其中，喷涂夹具需要将第一金属下框与铺膜底盘组合为一个平板，将质子交换膜平铺于上述平板上方，盖上第一金属上框，夹持第一长尾夹，形成框膜组件，将铺膜底盘固定在喷涂仪的吸气底盘上，将喷涂掩板放置于第一金属上框的框中，形成正面喷涂夹具，操作较为繁琐，仍存在膜褶皱的风险，且易发生误操作而影响喷涂效率。
中国专利CN102101085A公开了一种制备燃料电池膜电极的自动喷涂装置，包括工作台、喷枪，所述工作台为抽真空热台，其为空心箱体，箱体内设置有电加热元件，箱体通过管路与抽真空系统相连，上表面呈平板状，在平板状的上表面开设有能入箱体内腔的孔；所述喷枪通过管路与喷涂机储液料斗相连，在料斗的底部或侧壁上设置有超声震荡器；喷枪喷嘴处设置有伞状加热罩。该装置主要解决催化剂的喷涂问题，针对膜电极制备的关键难点，质子交换膜易褶皱的问题并没有提及，没有从根本上解决膜电极的喷涂效率和一致性的问题。
中国专利202930477U公开了一种制备膜电极所用的带有防滑缓冲垫的夹具，通过螺钉禁锢和，防止质子交换膜在制备过程中出现的收缩和偏移等现象，但在夹具安装和螺钉禁锢过程中，很难保证质子交换膜表面平整，同时还会受到空气湿度的影响而产生微变形，影响喷涂效率和喷涂效果。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具及其制备方法，提升膜电极的喷涂效率、喷涂质量和产品一致性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具，由两组双向夹紧装置、真空吸附加热平台组成，双向夹紧装置由箱体、动夹板、静夹板、螺杆和旋钮组成；所述箱体内组装有连接旋钮和螺杆，实现动夹板移动的齿轮传动装置；所述动夹板在靠近箱体一侧，包括上动夹板和下动夹板，螺杆穿过螺纹通孔与下动夹板连接，通过螺杆转动控制动夹板双向移动；所述静夹板在远离箱体一侧，包括上静夹板和下静夹板，螺杆穿过光孔通孔与下静夹板连接，在光孔通孔的两侧，螺杆上焊接有金属挡片；所述螺杆上的螺纹分布于箱体和静夹板之间，通过光孔通孔穿过箱体，在箱体后侧的光孔通孔两侧，螺杆上焊接有金属挡片；所述真空吸附加热平台由真空吸附加热板、平台底座和支撑台面组成，位于由双向夹紧装置组合形成的矩形空间内。
所述的两组双向夹紧装置各对应部件的尺寸相同，只有螺杆孔位高低不同，便于实现垂直交错放置。
所述的动夹板包含上动夹板把手、上动夹板磁铁、上动夹板胶垫、下动夹板把手、下动夹板磁铁、下动夹板胶垫，其中下动夹板把手上配有螺纹通孔。
所述的静夹板包含上静夹板把手、上静夹板磁铁、上静夹板胶垫、下静夹板把手、下静夹板磁铁、下静夹板胶垫，其中下静夹板把手上配有光孔通孔。
所述的动夹板和静夹板各对应部件尺寸相同。
所述的夹板磁铁分别镶嵌于上动夹板把手、下动夹板把手、上静夹板把手、下静夹板把手中，提供上下夹板间的吸引力。
所述的上动夹板、下动夹板、上静夹板、下静夹板采用耐高温非磁性材质。
所述的上动夹板胶垫、下动夹板胶垫、上静夹板胶垫、下静夹板胶垫，采用耐高温橡胶材质。
所述的真空吸附加热板具备无油真空吸附和加热的功能，采用多孔陶瓷板或表面分布有规则通气孔的金属板，加热温度范围为室温到150℃。
所述的下动夹板胶垫和下静夹板胶垫的上面与真空吸附加热板上面处于同一平面。
上述质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具制备膜电极的方法，包括以下步骤：
A、开启真空吸附加热平台的加热功能，使其加热至70-120℃；
B、分别旋动两组双向夹紧装置的旋钮，调整使得两组动夹板和静夹板靠近真空吸附加热板；
C、分别取下两组双向夹紧装置的上动夹板和上静夹板，将待喷涂质子交换膜平铺于真空吸附加热板上，并用上动夹板和下动夹板、上静夹板和下静夹板，通过磁力作用将质子交换膜四周固定于两组双向夹紧装置上；
D、分别旋动两组双向夹紧装置的旋钮，调整质子交换膜张紧度，使质子交换膜平整的铺在真空吸附加热板上；
E、开启真空吸附加热平台的真空吸附功能，使质子交换膜完全平整的吸附于真空吸附加热板上；
F、在平整、张紧的质子交换膜表面进行催化剂喷涂作业，完成膜电极的制备工艺。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明在平面四个方向固定待喷涂质子交换膜的边缘，通过调整膜表面的张紧度，使得膜平铺于真空吸附加热板上时，不会因外力、环境而产生褶皱，同时，夹具拆卸简单，即装即用，减少正面喷涂和反面喷涂的安装、调整时间，大幅提升膜电极的喷涂效率、喷涂质量和产品一致性。
附图说明
图1是质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具示意图；
图2是双向夹紧装置示意图；
图3是真空吸附加热平台示意图；
图4是动夹板结构示意图；
图5是箱体内部结构示意图；
图中：1.双向夹紧装置 2.真空吸附加热平台 11.箱体 12.动夹板 13.静夹板14.螺杆 15.旋钮 16.螺纹通孔 17.光孔通孔 21.真空吸附加热板 22.平台底座 23.支撑台面 111.直齿圆锥齿轮 121.上动夹板 122.下动夹板 131.上静夹板 132.下静夹板141.金属挡片 1211.上动夹板把手 1212.上动夹板磁铁 1213.上动夹板胶垫 1221.下动夹板把手 1222.下动夹板磁铁 1223.下动夹板胶垫 1311.上静夹板把手 1312.上静夹板磁铁 1313. 上静夹板胶垫 1321.下静夹板把手 1322.下静夹板磁铁 1323.下静夹板胶垫。
具体实施方式
结合附图的实施例对本发明进行详细阐述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具由两组双向夹紧装置1、真空吸附加热平台2 组成，双向夹紧装置1由箱体11、动夹板12、静夹板13、螺杆14和旋钮15组成；箱体11内组装有连接旋钮15和螺杆14，实现动夹板12移动的齿轮传动装置；动夹板12在靠近箱体11一侧，包括上动夹板121和下动夹板122，螺杆14穿过螺纹通孔16与下动夹板122 连接，通过螺杆14转动控制动夹板12双向移动；静夹板13在远离箱体11一侧，包括上静夹板131和下静夹板132，螺杆14穿过光孔通孔17与下静夹板132连接，在光孔通孔17 的两侧，螺杆上焊接有金属挡片141；螺杆14上的螺纹分布于箱体11和静夹板13之间，通过光孔通孔17穿过箱体11，在箱体11后侧的光孔通孔17两侧，螺杆上焊接有金属挡片 141；真空吸附加热平台2由真空吸附加热板21、平台底座22和支撑台面23组成，位于由双向夹紧装置1组合形成的矩形空间内。
两组双向夹紧装置1各对应部件的尺寸相同，只有螺杆14孔位高低不同，便于实现垂直交错放置。
动夹板12包含上动夹板把手1211、上动夹板磁铁1212、上动夹板胶垫1213、下动夹板把手1221、下动夹板磁铁1222、下动夹板胶垫1223，其中下动夹板把手1221上配有螺纹通孔16。
静夹板13包含上静夹板把手1311、上静夹板磁铁1312、上静夹板胶垫1313、下静夹板把手1321、下静夹板磁铁1322、下静夹板胶垫1323，其中下静夹板把手1321上配有光孔通孔17。
动夹板12和静夹板13各对应部件尺寸相同。
夹板磁铁分别镶嵌于上动夹板把手1211、下动夹板把手1221、上静夹板把手1311、下静夹板把手1321中，提供上下夹板间的吸引力。
上动夹板121、下动夹板122、上静夹板131、下静夹板132采用耐高温非磁性材质。
上动夹板胶垫1213、下动夹板胶垫1223、上静夹板胶垫1313、下静夹板胶垫1323，采用耐高温橡胶材质。
真空吸附加热板21具备无油真空吸附和加热的功能，采用多孔陶瓷板或表面分布有规则通气孔的金属板，加热温度范围为室温到150℃。
下动夹板胶垫1223和下静夹板胶垫1323的上面与真空吸附加热板21的上面处于同一平面。
一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具制备膜电极的方法，包括以下步骤：
A、开启真空吸附加热平台2的加热功能，使其加热至70-120℃；
B、分别旋动两组双向夹紧装置1的旋钮15，调整使得两组动夹板12和静夹板13靠近真空吸附加热板21；
C、分别取下两组双向夹紧装置1的上动夹板121和上静夹板131，将待喷涂质子交换膜平铺于真空吸附加热板21上，并用上动夹板121和下动夹板122、上静夹板131和下静夹板132，通过磁力作用将质子交换膜四周固定于两组双向夹紧装置1上；
D、分别旋动两组双向夹紧装置1的旋钮15，调整质子交换膜张紧度，使质子交换膜平整的铺在真空吸附加热板21上；
E、开启真空吸附加热平台2的真空吸附功能，使质子交换膜完全平整的吸附于真空吸附加热板21上；
F、在平整、张紧的质子交换膜表面进行催化剂喷涂作业，完成膜电极的制备工艺。
本发明利用配有磁铁、胶垫的双向夹紧装置代替螺栓、夹子和多种方框组合的固定方式，结构简单组装快速，减少加工过程中对质子交换膜的损伤，提升工作效率和质量，适合质子交换膜燃料电池膜电极的批量化制备。
本发明通过在质子交换膜适度张紧的状态下喷涂制备膜电极，制得的膜电极表面催化剂分布更加均匀，大幅提升产品一致性。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具，其特征在于：由两组双向夹紧装置(1)、真空吸附加热平台(2)组成；
所述双向夹紧装置(1)由箱体(11)、动夹板(12)、静夹板(13)、螺杆(14)和旋钮(15)组成；箱体(11)内组装有连接旋钮(15)和螺杆(14)，实现动夹板(12)移动的齿轮传动装置；动夹板(12)在靠近箱体(11)一侧，包括上动夹板(121)和下动夹板(122)，螺杆(14)穿过螺纹通孔(16)与下动夹板(122)连接，通过螺杆(14)转动控制动夹板(12)双向移动；静夹板(13)在远离箱体(11)一侧，包括上静夹板(131)和下静夹板(132)，螺杆(14)穿过光孔通孔(17)与下静夹板(132)连接，在光孔通孔(17)的两侧，螺杆上焊接有金属挡片(141)；螺杆(14)上的螺纹分布于箱体(11)和静夹板(13)之间，通过光孔通孔(17)穿过箱体(11)，在箱体(11)后侧的光孔通孔(17)两侧，螺杆上焊接有金属挡片(141)；
所述真空吸附加热平台(2)由真空吸附加热板(21)、平台底座(22)和支撑台面(23)组成，位于由双向夹紧装置(1)组合形成的矩形空间内。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具，其特征在于：所述两组双向夹紧装置(1)中螺杆(14)孔位高低不同。
3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具，其特征在于：所述动夹板(12)包含上动夹板把手(1211)、上动夹板磁铁(1212)、上动夹板胶垫(1213)、下动夹板把手(1221)、下动夹板磁铁(1222)和下动夹板胶垫(1223)，其中下动夹板把手(1221)上配有螺纹通孔(16)。
4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具，其特征在于：所述静夹板(13)包含上静夹板把手(1311)、上静夹板磁铁(1312)、上静夹板胶垫(1313)、下静夹板把手(1321)、下静夹板磁铁(1322)、下静夹板胶垫(1323)，其中下静夹板把手(1321)上配有光孔通孔(17)。
5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具，其特征在于：所述夹板磁铁分别镶嵌于上动夹板把手(1211)、下动夹板把手(1221)、上静夹板把手(1311)、下静夹板把手(1321)中。
6.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具，其特征在于：所述上动夹板(121)、下动夹板(122)、上静夹板(131)、下静夹板(132)采用耐高温非磁性材质.
7.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具，其特征在于：所述上动夹板胶垫(1213)、下动夹板胶垫(1223)、上静夹板胶垫(1313)、下静夹板胶垫(1323)，采用耐高温橡胶材质。
8.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具，其特征在于：所述真空吸附加热板(21)具备无油真空吸附和加热的功能，采用多孔陶瓷板或表面分布有规则通气孔的金属板，加热温度范围为室温到150℃。
9.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具，其特征在于：所述下动夹板胶垫(1223)和下静夹板胶垫(1323)的上面与真空吸附加热板(21)的上面处于同一平面。
10.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂夹具制备膜电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、开启真空吸附加热平台(2)的加热功能，使其加热至70-120℃；
B、分别旋动两组双向夹紧装置(1)的旋钮(15)，调整使得两组动夹板(12)和静夹板(13)靠近真空吸附加热板(21)；
C、分别取下两组双向夹紧装置(1)的上动夹板(121)和上静夹板(131)，将待喷涂质子交换膜平铺于真空吸附加热板(21)上，并用上动夹板(121)和下动夹板(122)、上静夹板(131)和下静夹板(132)，通过磁力作用将质子交换膜四周固定于两组双向夹紧装置1上；
D、分别旋动两组双向夹紧装置(1)的旋钮(15)，调整质子交换膜张紧度，使质子交换膜平整的铺在真空吸附加热板(21)上；
E、开启真空吸附加热平台(2)的真空吸附功能，使质子交换膜完全平整的吸附于真空吸附加热板(21)上；
F、在平整、张紧的质子交换膜表面进行催化剂喷涂作业，完成膜电极的制备。
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