CN112701313B - 一种制备燃料电池膜电极的组合装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于制备燃料电池膜电极的组合装置及方法，所述组合装置包括热压工装上板、热压工装下板、阳极电极定位工装、阴极电极定位工装，其中，所述热压工装上板和热压工装下板分别包括定位孔、缓冲垫和凸台，所述缓冲垫的大小和形状与膜电极支撑框相匹配，所述凸台的大小和形状与其相接触的电极相匹配，所述阳极电极定位工装和阴极电极定位工装的内框尺寸和形状分别与阳极电极和阴极电极相匹配。本申请可以一次性完成七合一膜电极的制作，避免了膜电极制备工艺过程中因更换工装夹具所导致的质子交换膜的反复拆装，进而避免了膜电极中质子交换膜的各种故障，提高了膜电极产品的成品率，结构简单，操作方便，适合在本领域大面积推广。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极的制备工装及方法。
背景技术
燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。燃料电池通常由多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(阳极和阴极)，该两个电极被电解质元件隔开，并且彼此串联地组装，形成燃料电池电堆。
燃料电池的核心部件之一是膜电极MEA，膜电极由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂等催化剂。膜电极两边可用高导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
膜电极结构一般包括七部分：中间的固态质子交换膜、固定质子交换膜的两层塑料支撑框，质子交换膜两侧的阳极催化层和阴极催化层以及最外侧的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层。催化层总是置于质子交换膜和同侧气体扩散层之间，基于质子交换膜的由催化层/质子交换膜/催化层组成的三合一膜电极组件，即CCM。
中国公开号CN1276633，公开了一种在一片膜上含有多个膜电极的制备方法，该方法存在如下不足：由于上下侧的气体扩散层都没有定位装置，就会造成装配困难，甚至会引起多片膜电极上下侧气体扩散层都发生错位的严重后果。专利申请号201010557659.9，设计了膜电极的热压夹具，该设计必须涂覆脱模剂，否则无法脱模，但这会污染膜电极。专利申请号201310067915.X及申请号201110427036.4，各设计了一种热压夹具，此夹具靠螺丝施压，仅需加热即可完成热压。但对拧螺丝的力度要求很高，反复使用螺杆或螺纹易磨损。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种制备燃料电池膜电极的组合装置及方法，所述组合装置包括热压工装上板、热压工装下板、阳极电极定位工装、阴极电极定位工装。
所述热压工装上板和热压工装下板分别包括第一定位孔、缓冲垫和凸台，所述第一定位孔为圆形，放置活动定位销，所述缓冲垫的大小和形状与膜电极支撑框相匹配，所述凸台的大小和形状与其相接触的电极相匹配，所述热压工装在自然状态下缓冲垫外平面高于凸台平面，在热压状态下缓冲垫外平面与凸台平面齐平。
所述热压工装上板和下板的外形幅宽、缓冲垫尺寸及定位孔的大小、位置分别一致，凸台的不同。
所述阳极电极定位工装和阴极电极定位工装包括第二定位孔、内框和外框，所述第二定位孔的位置与热压工装上板和热压工装下板的第一定位孔相对应，所述内框尺寸和形状分别与阳极电极和阴极电极相匹配。
所述热压工装上板和下板采用金属材质，包括不锈钢、铝合金等。
优选地，所述热压工装的材质为铝合金。
所述热压工装的上板和下板厚度为5～20mm。
优选地，所述热压工装的厚度为10mm。
所述热压工装的上板和下板的背面设有排气孔，可以在加热时排出腔内气体，有利于在冷却后取出热压完成的膜电极。
所述热压工装的上板和下板的背面设有沟槽，防止热压设备工作时与热压工装形成真空吸附。
所述热压工装的上板和下板的侧面设有测温孔，可以实时监测腔内的实际温度。
所述阳极电极定位工装和阴极电极定位工装采用金属材质，包括不锈钢、铝合金等。
优选地，所述电极定位工装的材质为铝合金。
所述阳极电极定位工装和阴极电极定位工装的厚度为3～12mm。
优选地，所述电极定位工装的厚度为6mm。
所述膜电极(MEA)包括两面带催化剂(分为阴极侧和阳极侧，但这不是本申请所涉及的重点，因而在说明书和附图中没有特意区别)的质子交换膜(CCM)、两层塑料支撑框、阳极电极、阴极电极，其特征在于包括以下步骤：
1)将一层塑料支撑框通过定位销置于热压工装上板，将CCM置于塑料支撑框的中间位置，且阴极侧朝上，将另一层塑料支撑框通过定位销置于CCM上方。
2)将阴极电极定位工装通过定位销置于塑料支撑框和CCM的上方，将阴极电极置于阴极电极定位工装内框。
3)在保证阴极电极不移动的情况下，取下阴极电极定位工装，将热压工装下板通过定位销置于阴极电极的上方。
4)在保证热压工装上板和下板不错位的情况下，翻转热压工装，使上板在上。
5)取下热压工装上板，将阳极电极定位工装通过定位销置于塑料支撑框和CCM的上方，将阳极电极置于阳极电极定位工装内框。
6)在保证阳极电极不移动的情况下，取下阳极电极定位工装，将热压工装上板通过定位销置于阳极电极的上方。
7)将包含膜电极组件的整套热压工装置于热压机内，在80～130℃，10～100kg/cm2的条件下热压60～120s，取出后冷却至常温，制备形成七合一的膜电极。
本申请提供的一种制备燃料电池膜电极的组合装置及方法，制作简单、操作方便，大大节约了时间和成本、而且膜电极结构的各部分对位精确，性能稳定。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本申请公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本申请的理解，并不是具体限定本申请各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本申请的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本申请。
附图1A为本申请所述热压工装上板的正面示意图；
附图1B为本申请所述热压工装上板的背面示意图；
附图2A为本申请所述热压工装下板的正面示意图；
附图2B为本申请所述热压工装下板的背面示意图；
附图3为本申请所述热压工装上放置MEA组件的示意图；
附图4为本申请所述热压工装和电极定位工装上放置MEA组件的示意图；
附图5A为本申请所述阴极电极定位工装的示意图；
附图5B为本申请所述阳极电极定位工装的示意图；
附图6为本申请所述热压工装上下板组装示意图；
附图7为本申请所述实施例中膜电极的结构示意图；
附图标记如下：
1～第一定位孔；2～缓冲垫；3～凸台；4～排气孔；5～测温孔；6～沟槽；7～定位销；8～塑料支撑框；9～CCM；10～电极；11～阴极电极定位工装定位孔；12～阴极电极定位工装内框；13～阴极电极定位工装外框；14～阳极电极定位工装定位孔；15～阳极电极定位工装内框；16～阳极电极定位工装外框；
具体实施方式
下面通过实施例的方式对本申请所述装置及方法做进一步的详细描述。
实施例1：参见附图1A-7，一种制备燃料电池膜电极的组合装置，采用铝合金材料，利用数控机床加工出热压工装上板、热压工装下板、阳极电极定位工装、阴极电极定位工装，热压工装上、下板的厚度分别为10mm，幅宽为50×200mm，包括第一定位孔、缓冲垫和凸台，其中第一定位孔为直径3mm的通孔，位于宽度方向的中点位置，缓冲垫采用0.5mm厚度的硅胶垫，用胶黏剂粘接到热压工装的相应位置，凸台的尺寸和形状与其相接触的电极完全一致，幅宽为40×160mm，热压工装的背面设有沟槽和排气孔，有10条矩形沟槽结构，幅宽为5×50mm，可以防止热压过程中产生真空吸附的情况，排气孔为直径3mm的通孔，在热压工装上下板的长向侧面的中间位置分别设有1个测温孔，为直径3mm的通孔，4个活动定位销的直径3mm、长度15mm。电极定位工装的厚度为5mm，包括第二定位孔、内框和外框，第二定位孔的位置和大小与热压工装上的第一定位孔相对应，电极定位工装的内框尺寸和形状与相对应的电极完全一致，内框幅宽为40×160mm，外框幅宽为50×200mm。通过以下步骤一次性制备七合一膜电极：
1)将一层塑料支撑框通过定位销置于热压工装上板，将CCM置于塑料支撑框的中间位置，且阴极侧朝上，将另一层塑料支撑框通过定位销置于CCM上方。
2)将阴极电极定位工装通过定位销置于塑料支撑框和CCM的上方，将阴极电极置于阴极电极定位工装内框。
3)在保证阴极电极不移动的情况下，取下阴极电极定位工装，将热压工装下板通过定位销置于阴极电极的上方。
4)在保证热压工装上板和下板不错位的情况下，翻转热压工装，使上板在上。
5)取下热压工装上板，将阳极电极定位工装通过定位销置于塑料支撑框和CCM的上方，将阳极电极置于阳极电极定位工装内框。
6)在保证阳极电极不移动的情况下，取下阳极电极定位工装，将热压工装上板通过定位销置于阳极电极的上方。
7)将包含膜电极组件的整套热压工装置于热压机内，在110℃，50kg/cm2的条件下热压100s，取出后冷却至常温，制备形成七合一的膜电极。
实施例2：参见附图1A-7，一种制备燃料电池膜电极的组合装置，采用不锈钢材料，利用数控机床加工出热压工装上板、热压工装下板、阳极电极定位工装、阴极电极定位工装，热压工装上、下板的厚度分别为5mm，幅宽为60×220mm，包括第一定位孔、缓冲垫和凸台，其中定位孔为直径2mm的通孔，位于宽度方向的中点位置，缓冲垫采用0.8mm厚度的氟橡胶垫，用胶黏剂粘接到热压工装的相应位置，凸台的尺寸和形状与其相接触的电极完全一致，幅宽为50×180mm，热压工装的背面设有沟槽和排气孔，有12条矩形沟槽结构，幅宽为6×60mm，可以防止热压过程中产生真空吸附的情况，排气孔为直径2mm的通孔，在热压工装上下板的长向侧面的两端位置分别设有1个测温孔，为直径2mm的通孔，4个活动定位销的直径2mm、长度8mm。电极定位工装的厚度为3mm，包括第二定位孔、内框和外框，第二定位孔的位置和大小与热压工装上的第一定位孔相对应，电极定位工装的内框尺寸和形状与相对应的电极完全一致，内框幅宽为50×180mm，外框幅宽为60×220mm。通过以下步骤一次性制备七合一膜电极：
1)将一层塑料支撑框通过定位销置于热压工装上板，将CCM置于塑料支撑框的中间位置，且阴极侧朝上，将另一层塑料支撑框通过定位销置于CCM上方。
2)将阴极电极定位工装通过定位销置于塑料支撑框和CCM的上方，将阴极电极置于阴极电极定位工装内框。
3)在保证阴极电极不移动的情况下，取下阴极电极定位工装，将热压工装下板通过定位销置于阴极电极的上方。
4)在保证热压工装上板和下板不错位的情况下，翻转热压工装，使上板在上。
5)取下热压工装上板，将阳极电极定位工装通过定位销置于塑料支撑框和CCM的上方，将阳极电极置于阳极电极定位工装内框。
6)在保证阳极电极不移动的情况下，取下阳极电极定位工装，将热压工装上板通过定位销置于阳极电极的上方。
7)将包含膜电极组件的整套热压工装置于热压机内，在110℃，30kg/cm2的条件下热压120s，取出后冷却至常温，制备形成七合一的膜电极。
整个制备过程可以使用机械手来完成，减少人工，降低成本，保证制备产品的一致性。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种制备燃料电池膜电极的组合装置，其特征在于：所述组合装置包括热压工装上板、热压工装下板、阳极电极定位工装、阴极电极定位工装；
所述热压工装上板和热压工装下板分别包括定位孔、缓冲垫和凸台，所述定位孔为圆形，放置活动定位销，所述缓冲垫的大小和形状与膜电极支撑框相匹配，所述凸台的大小和形状与其相接触的电极相匹配；
所述阳极电极定位工装和阴极电极定位工装包括定位孔、内框和外框，所述定位孔的位置与热压工装上板和热压工装下板的定位孔相对应，所述内框尺寸和形状分别与阳极电极和阴极电极相匹配；
所述膜电极包括两面带催化剂的质子交换膜(CCM)、两层塑料支撑框、阳极电极、阴极电极，使用所述组合装置制备燃料电池膜电极包括以下步骤：
1)将一层塑料支撑框通过定位销置于热压工装上板，将CCM置于塑料支撑框的中间位置，且阴极侧朝上，将另一层塑料支撑框通过定位销置于CCM上方；
2)将阴极电极定位工装通过定位销置于塑料支撑框和CCM的上方，将阴极电极置于阴极电极定位工装内框；
3)在保证阴极电极不移动的情况下，取下阴极电极定位工装，将热压工装下板通过定位销置于阴极电极的上方；
4)在保证热压工装上板和下板不错位的情况下，翻转热压工装，使上板在上；
5)取下热压工装上板，将阳极电极定位工装通过定位销置于塑料支撑框和CCM的上方，将阳极电极置于阳极电极定位工装内框；
6)在保证阳极电极不移动的情况下，取下阳极电极定位工装，将热压工装上板通过定位销置于阳极电极的上方；
7)将整套热压工装置于热压机内，在80～130℃，10～100kg/cm2的条件下热压60～120s，取出后冷却至常温，制备形成七合一的膜电极；
所述热压工装上板和下板的外形幅宽、缓冲垫尺寸及定位孔的大小、位置分别一致，凸台的尺寸不同，
所述热压工装上板和下板采用金属材质，
所述热压工装的上板和下板厚度为5～20mm，
所述热压工装的上板和下板的背面设有排气孔和沟槽，侧面设有测温孔。
2.如权利要求1所述的一种制备燃料电池膜电极的组合装置，其特征在于：所述阳极电极定位工装和阴极电极定位工装采用金属材质，所述金属材质包括不锈钢或铝合金。
3.如权利要求1所述的一种制备燃料电池膜电极的组合装置，其特征在于：所述阳极电极定位工装和阴极电极定位工装的厚度为3～12mm。
4.如权利要求1所述的一种制备燃料电池膜电极的组合装置，其特征在于：所述热压工装在自然状态下缓冲垫外平面高于凸台平面，在热压状态下缓冲垫外平面与凸台平面齐平。
5.如权利要求1所述的一种制备燃料电池膜电极的组合装置，其特征在于：所述缓冲垫的材质为橡胶，所述橡胶包括硅橡胶或氟橡胶或丁腈橡胶或三元乙丙橡胶。
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