CN110492156B - 一种燃料电池膜电极边框贴合装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池膜电极边框贴合装置和方法。本发明的贴合装置，包括下边框贴合机构和上边框贴合机构；下边框贴合机构包括下基座、喷涂件和紫外灯，下边框的上表面涂设有热熔胶层，下边框下表面放置在下基座上，喷涂件用于喷涂紫外光固化树脂层，紫外灯对紫外光固化树脂层进行固化；上边框贴合机构包括真空箱、真空泵、上基座、柔性按压件和加热件，真空泵与真空箱内部相通，下基座和柔性按压件设置在真空箱内，柔性按压件设置在下基座的正上方，加热件用于对热熔胶层进行加热。本发明的贴合方法，采用上述装置，边框贴合分两步完成，第一步的贴合下边框主要是利用紫外光固化树脂层，第二步利用热熔胶层，操作简单，贴合效果好。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极边框贴合装置和方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种将化学能转换为电能的发电装置，其中，燃料电池芯片是将燃料电池催化剂涂敷在质子交换膜两侧制备的催化剂/质子交换膜组件，简称CCM(catalyst coated membrane)。质子交换膜燃料电池的核心部件包括燃料电池催化层，CCM，上边框、下边框和气体扩散层。通常燃料电池膜电极制造过程，包括催化剂的涂布，边框的贴合，气体扩散层的贴合，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，这部分留白区域提供边框的贴合面，现有技术中一般留白区域的两侧分别直接与上边框和下边框贴合，在边框贴合过程中，上下两层边框中间空气的存在，在贴合过程中容易形成气泡，造成产品的不良。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种提高边框贴合质量和效率的燃料电池膜电极边框贴合装置和方法。
一种燃料电池膜电极边框贴合装置，包括下边框贴合机构和上边框贴合机构；
所述下边框贴合机构包括下基座、喷涂件和紫外灯，下边框的上表面涂设有热熔胶层，所述下边框下表面放置在所述下基座上，所述喷涂件用于朝所述热熔胶层喷涂紫外光固化树脂层，所述紫外灯对所述紫外光固化树脂层进行固化；
所述上边框贴合机构包括真空箱、真空泵、上基座、柔性按压件和加热件，所述真空泵与所述真空箱内部相通，所述下基座和柔性按压件设置在所述真空箱内，所述柔性按压件设置在所述下基座的正上方，用于按压贴合了的下边框和CCM和上边框，所述加热件用于对所述热熔胶层加热。
优选的，所述上边框贴合机构还包括控制器和用于检测真空箱内压力的压力传感器，所述控制器与所述压力传感器和真空泵电连接。
优选的，所述加热件包括设置在所述上基座上表面的加热板和设置在所述加热板下方用于对所述加热板进行加热的多个加热管，所述下边框放置在所述加热板上。
优选的，所述上边框贴合机构还包括用于检测加热板温度的温度传感器，所述控制器分别与所述温度传感器和所述加热管电连接。
优选的，所述控制器包括温度控制结构和压力控制结构，所述温度控制结构分别与加热管和温度传感器电连接，所述压力控制结构分别与所述压力传感器和所述真空泵电连接。
优选的，所述下边框为透紫外光的材质，所述下基座内设有腔体，所述下基座的腔体与所述下边框之间的材质为透紫外光的材质，所述紫外光灯设置在所述腔体内，朝所述下边框照射紫外线。
优选的，所述柔性按压件包括按压板、橡胶气囊和空压机，所述橡胶气囊设置在所述按压板上，所述橡胶气囊设置在所述上基座的正上方，所述空压机设置在所述真空箱外，所述空压机的出气端通过管路与所述橡胶气囊相通，以当所述空压机朝所述橡胶气囊充气时，所述橡胶气囊膨胀至与所述上边框相接触，并挤压所述上边框。
优选的，所述喷涂件包括压电陶瓷喷头和与所述压电陶瓷喷头相连通的储料罐，所述压电陶瓷喷头喷射方向朝向所述下边框与所述CCM的进行贴合的贴合区。
优选的，所述紫外光固化树脂层的面积小于所述下边框与CCM之间的贴合区面积。
一种燃料电池膜电极边框贴合的方法，采用上述的一种燃料电池膜电极边框贴合装置进行操作，具体步骤如下：
1)将上表面涂有热熔胶层的所述下边框放置在所述下基座上，向所述下边框与所述CCM的进行贴合的贴合区喷涂紫外光固化树脂层；
2)将所述CCM叠放在所述紫外光固化树脂层上，打开所述紫外灯对所述紫外光固化树脂层进行固化；
3)将步骤2)中贴合的所述下边框和CCM放置在所述上基座上，并将所述上边框叠放在所述下边框上，开启所述真空泵，并利用所述柔性按压件对所述上边框进行挤压，排出所述上边框和下边框之间的空气；
4)打开所述加热件对所述下边框上的热熔胶层进行加热，待所述热熔胶层软化后停止加热，融化的所述热熔胶层将所述上边框和下边框结合在一起。
本发明的一种燃料电池膜电极边框贴合装置，相对于现有技术，减少了CCM与边框的贴合区，即减少了CCM的留白区域，节省昂贵的CCM成本，降低膜电极的制造成本，而且使用紫外光固化树脂层贴合下边框和CCM，方便快捷，然后直接利用下边框上热熔胶层在真空氛围下与上边框进行贴合，降低贴合过程中，气泡造成的不良。
本发明的边框贴合分两步完成，第一步的贴合下边框主要是利用紫外光固化树脂层，第二步利用热熔胶层，操作简单，贴合效果好。
附图说明
图1为本发明的上边框贴合机构的结构示意图；
图2为本发明的下边框贴合机构的结构示意图；
图3为CCM和边框的结构示意图。
1、CCM；2、上边框；3、下边框；31、热熔胶层；32、贴合区；33、紫外光固化树脂层；4、下边框贴合机构；41、下基座；411、腔体；42、喷涂件；421、压电陶瓷喷头；422、储料罐；43、紫外灯；5、上边框贴合机构；51、真空箱；52、真空泵；53、上基座；54、柔性按压件；541、按压板；542、橡胶气囊；543、空压机；55、加热件；551、加热板；552、加热管；56、控制器；561、温度控制结构；562、压力控制结构；57、压力传感器；58、温度传感器。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1-3所示，本发明的一种燃料电池膜电极边框贴合装置，贴合后的膜电极包括CCM1和贴合在其两侧的上边框2和下边框3，包括用于贴合CCM1和下边框3的下边框贴合机构4和将上边框2贴合在已经贴合在一起的CCM1和下边框3上的上边框贴合机构5；
下边框贴合机构4包括下基座41、喷涂件42和紫外灯43，下边框3的上表面涂设有热熔胶层31，下边框3下表面放置在下基座41上，喷涂件42用于朝下边框3与CCM1的进行贴合的贴合区32喷涂紫外光固化树脂层33，CCM1放置在下边框3上，其四周与紫外光固化树脂层33相贴合，紫外灯43对紫外光固化树脂层33进行固化；
上边框贴合机构5包括真空箱51、真空泵52、上基座53、柔性按压件54和加热件55，真空泵52与真空箱51内部相通，下基座41和柔性按压件54设置在真空箱51内，柔性按压件54设置在下基座41的正上方，用于按压叠放在贴合了的下边框3和CCM1上的上边框2，加热件55用于对放置在上基座53上的下边框3上的热熔胶层31进行加热。
本发明的一种燃料电池膜电极边框贴合装置，相对于现有技术，减少了CCM1与边框的贴合区32，即减少了CCM1的留白区域，节省昂贵的CCM1成本，降低膜电极的制造成本，而且使用紫外光固化树脂层33贴合下边框3和CCM1，方便快捷，然后直接利用下边框3上热熔胶层31在真空氛围下与上边框进行贴合，降低贴合过程中，气泡造成的不良。进一步的，上边框贴合机构5还可以包括控制器56和用于检测真空箱51内压力的压力传感器57，控制器56与压力传感器57和真空泵52电连接。在压力传感器57检测到真空箱51的压力达到真空压力时，控制器56可以控制真空泵52停止工作。其中压力传感器57可以为市场上可以购买到的产品，例如：SMC压力传感器PSE543-R06-C2，控制器56可以为PLC控制器。
加热件55的结构有多种，在这里不做限定，在本实施例中，加热件55可以包括设置在上基座53上表面的加热板551和设置在加热板551下方用于对加热板551进行加热的多个加热管552，下边框3放置在加热板551上。加热管552通过现有技术的电路，自身发热，然后将热量传递给加热板551，加热板551对下边框3传递热量，这样使得下边框3上的热熔胶层31软化，实现粘合。
为了控制热熔胶层31软化的时间和温度，上边框贴合机构5还可以包括用于检测加热板551温度的温度传感器58，控制器56分别与温度传感器58和加热管552电连接。在压力传感器57检测到加热板551的温度达到预设值时，控制器56控制加热管552停止加热，
控制器56可以包括温度控制结构561和压力控制结构562，温度控制结构561分别与加热管552和温度传感器58电连接，压力控制结构562分别与压力传感器57和真空泵52电连接。
当温度传感器58检测到加热板551内的温度达到预设值时，温度控制结构561控制加热管552停止加热，以控制加热板551的温度。在压力传感器57检测到真空箱51内的压力达到预设值，压力控制结构562控制真空泵52关闭，此时真空箱51内处于真空环境氛围内。其中温度传感器58可以为市场上可以购买到产品，例如：贴片式温度传感器JCJ100TTP。
例如，压力控制结构562可以包括接收单元、比较单元和切断单元，接收单元分别与压力传感器57及比较单元相连，切断单元分别与比较单元及真空泵52相连。接收单元接收压力传感器57检测到的真空箱51内的压力值、并将该压力值传输至比较单元；比较单元将检测到的压力值与预设值进行比较、并将比较结果传输至切断单元；若检测到的压力值为0时，切断单元将关闭真空泵52。温度控制结构561的构造可以与压力控制结构562的构造类似，也可以采用其他的结构形式。
下边框3可以优选为透紫外光的材质，下基座41内设有腔体411，下基座41的腔体411与下边框3之间的材质为透紫外光的材质，紫外灯43设置在腔体411内，朝下边框3照射紫外线。这样可以在无需移动此下边框3和CCM1的情况下通过在下边框3下方设置紫外灯43完成固化，避免了下边框3和CCM1这两层材料的错位风险。
柔性按压件54的结构有多种，在这里不做限定，在本实施例中，柔性按压件54可以包括按压板541、橡胶气囊542和空压机543，橡胶气囊542设置在按压板541上，橡胶气囊542设置在上基座53的正上方，空压机543设置在真空箱51外，空压机543的出气端通过管路与橡胶气囊542相通，以当空压机543朝橡胶气囊542充气时，橡胶气囊542膨胀至与上边框2相接触，并挤压上边框2。将结合好的CCM1和下边框3放置在加热板551上，将上边框2放置在上边框2上。橡胶气囊542可以为半圆形，这里可以使膜电极的对称中心和橡胶气囊542的对称中心重合。启动真空泵52和空压机543，按压板541的位置时固定不动的，这样当气体进入橡胶气囊542时，随着橡胶气囊542的扩大，可以将两层边框中的气体逐渐排出，并且，真空泵52可以有效降低腔体411的空气含量，抑制气泡的产生。当橡胶气囊542膨胀并压到整个边框区域时，两层边框中的气体被排空，此时启动加热管552，当温度升高并使热熔胶软化后停止加热，融化的热熔胶将使两层边框良好的结合在一起。然后停止真空泵52的工作，使压力恢复至大气压后，取出产品。
喷涂件42的结构有多种，在这里不做限定，在本实施例中，喷涂件42包括压电陶瓷喷头421和与压电陶瓷喷头421相连通的储料罐422，压电陶瓷喷头421喷射方向朝向下边框3与CCM1的进行贴合的贴合区32。喷涂方式优选压电陶瓷喷头421，这样可以将喷涂的厚度控制在10～30微米左右，如果喷涂的过厚将会造成显著的溢胶，喷涂区域的面积应小于下边框3和CCM1的贴合区32，这样在CCM1和紫外光固化树脂层33接触时，紫外光固化树脂层33不容易溢出贴合区32，形成平整的热熔胶层31，方便下边框3与上边框2的贴合。
一种燃料电池膜电极边框贴合的方法，采用上述的一种燃料电池膜电极边框贴合装置进行操作，具体步骤如下：
1)将上表面涂有热熔胶层31的下边框3放置在下基座41上，向下边框3与CCM1的进行贴合的贴合区32喷涂紫外光固化树脂层33；
2)将CCM1叠放在紫外光固化树脂层33上，打开紫外灯43对紫外光固化树脂层33进行固化；由于CCM1的厚度和强度远低于边框，先将CCM1与下边框3粘合以形成具有一定强度的结合体以方便操作
3)将步骤2中贴合的下边框3和CCM1放置在上基座53上，并将上边框2叠放在下边框3上，开启真空泵52，并利用柔性按压件54对上边框2进行挤压，排出上边框2和下边框3之间的空气；
4)打开加热件55对下边框3上的热熔胶层31进行加热，待热熔胶层31软化后停止加热，融化的热熔胶层31将上边框2和下边框3结合在一起。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种燃料电池膜电极边框贴合装置，其特征在于：包括下边框贴合机构（4）和上边框贴合机构（5）；
所述下边框贴合机构（4）包括下基座（41）、喷涂件（42）和紫外灯（43），下边框（3）的上表面涂设有热熔胶层（31），所述下边框（3）下表面放置在所述下基座（41）上，所述喷涂件（42）用于朝所述热熔胶层（31）喷涂紫外光固化树脂层（33），所述紫外灯（43）对所述紫外光固化树脂层（33）进行固化；
所述上边框贴合机构（5）包括真空箱（51）、真空泵（52）、上基座（53）、柔性按压件（54）和加热件（55），所述真空泵（52）与所述真空箱（51）内部相通，所述下基座（41）和柔性按压件（54）设置在所述真空箱（51）内，所述柔性按压件（54）设置在所述下基座（41）的正上方，用于按压贴合了的下边框（3）和CCM（1）和上边框（2），所述加热件（55）用于对所述热熔胶层（31）加热；
所述下边框（3）为透紫外光的材质，所述下基座（41）内设有腔体（411），所述下基座（41）的腔体（411）与所述下边框（3）之间的材质为透紫外光的材质，所述紫外灯（43）设置在所述腔体（411）内，朝所述下边框（3）照射紫外线；
所述柔性按压件（54）包括按压板（541）、橡胶气囊（542）和空压机（543），所述橡胶气囊（542）设置在所述按压板（541）上，所述橡胶气囊（542）设置在所述上基座（53）的正上方，所述空压机（543）设置在所述真空箱（51）外，所述空压机（543）的出气端通过管路与所述橡胶气囊（542）相通，以当所述空压机（543）朝所述橡胶气囊（542）充气时，所述橡胶气囊（542）膨胀至与所述上边框（2）相接触，并挤压所述上边框（2）。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池膜电极边框贴合装置，其特征在于：所述上边框贴合机构（5）还包括控制器（56）和用于检测真空箱（51）内压力的压力传感器（57），所述控制器（56）与所述压力传感器（57）和真空泵（52）电连接。
3.如权利要求2所述的一种燃料电池膜电极边框贴合装置，其特征在于：所述加热件（55）包括设置在所述上基座（53）上表面的加热板（551）和设置在所述加热板（551）下方用于对所述加热板（551）进行加热的多个加热管（552），所述下边框（3）放置在所述加热板（551）上。
4.如权利要求3所述的一种燃料电池膜电极边框贴合装置，其特征在于：所述上边框贴合机构（5）还包括用于检测加热板（551）温度的温度传感器（58），所述控制器（56）分别与所述温度传感器（58）和所述加热管（552）电连接。
5.如权利要求4所述的一种燃料电池膜电极边框贴合装置，其特征在于：所述控制器（56）包括温度控制结构（561）和压力控制结构（562），所述温度控制结构（561）分别与加热管（552）和温度传感器（58）电连接，所述压力控制结构（562）分别与所述压力传感器（57）和所述真空泵（52）电连接。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种燃料电池膜电极边框贴合装置，其特征在于：所述喷涂件（42）包括压电陶瓷喷头（421）和与所述压电陶瓷喷头（421）相连通的储料罐（422），所述压电陶瓷喷头（421）喷射方向朝向所述下边框（3）与所述CCM（1）的进行贴合的贴合区（32）。
7.如权利要求1-5任一项所述的一种燃料电池膜电极边框贴合装置，其特征在于：所述紫外光固化树脂层（33）的面积小于所述下边框（3）与CCM（1）之间的贴合区（32）面积。
8.一种燃料电池膜电极边框贴合的方法，其特征在于：采用如权利要求1-7任一项所述的一种燃料电池膜电极边框贴合装置进行操作，具体步骤如下：
1）将上表面涂有热熔胶层（31）的所述下边框（3）放置在所述下基座（41）上，向所述下边框（3）与所述CCM（1）的进行贴合的贴合区（32）喷涂紫外光固化树脂层（33）；
2）将所述CCM（1）叠放在所述紫外光固化树脂层（33）上，打开所述紫外灯（43）对所述紫外光固化树脂层（33）进行固化；
3）将步骤2）中贴合的所述下边框（3）和CCM（1）放置在所述上基座（53）上，并将所述上边框（2）叠放在所述下边框（3）上，开启所述真空泵（52），并利用所述柔性按压件（54）对所述上边框（2）进行挤压，排出所述上边框（2）和下边框（3）之间的空气；
4）打开所述加热件（55）对所述下边框（3）上的热熔胶层（31）进行加热，待所述热熔胶层（31）软化后停止加热，融化的所述热熔胶层（31）将所述上边框（2）和下边框（3）结合在一起。
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