CN114678540B - 一种燃料电池阴极扩散层和膜电极二合一高效制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池制备技术领域，具体公开了一种燃料电池阴极扩散层和膜电极二合一高效制备方法，包括以下步骤：在阴极碳纸上加工若干依次排列的进气孔；将阴极碳纸放至涂胶工装中进行定位；对放置在涂胶工装中的阴极碳纸按照预定的轨迹进行涂胶；将质子交换膜贴合在涂胶完成的阴极碳纸上，得到组合体半成品；将组合体半成品从涂胶工装中取出并翻面；在组合体半成品背面的进气孔内安装密封圈，得到组合体成品对组合体成品进行裁剪，得到二合一单体。上述方法，以批量制备阴极碳纸和质子交换膜贴合的二合一单体，制备速度快，尺寸一致性高，可达到提高阴极碳纸与质子交换膜二合一单体制备效率的目的，有利于实现自动化生产。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池制备技术领域，尤其涉及一种燃料电池阴极扩散层和膜电极二合一高效制备方法。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。
质子交换膜燃料电池作为燃料电池的一种，主要由端板、集电极、控制电路、单电池、支撑构件和密封件等组成。其中单电池是质子交换膜燃料电池最重要的组成部件之一。单电池由阳极板、阴极板、阳极扩散层、阴极扩散层及膜电极(CCM)组成。
单电池的阳极板和阴极板可按照功能要求进行设计并进行加工和生产，阴极碳纸(阴极扩散层)和膜电极(CCM)二合一需要通过密封胶进行贴合制备，其制备效果的好坏是影响燃料电池性能的关键因素之一。传统的制备方法是将阴极碳纸依次通过打孔、切割等工序加工成符合单电池尺寸要求的单件。由于受切割设备加工精度，加工过程中工件的定位、移动、翘曲等因素的影响，使得部分单件阴极碳纸成品尺寸、孔的位置等存在一定的误差。加工好的单件碳纸逐个涂密封胶，然后依次将涂好胶的一面在较大尺寸膜电极上贴合摆放，然后对它们进行加压，常温固化。固化完成后，根据膜电极贴合的阴极碳纸的外轮廓尺寸进行手工裁切，分割成单个的阴极碳纸和膜电极的组合体，为后续制备单电池做准备。阴极碳纸与膜电极二合一的制备过程，中间步骤较多，需要控制的细节也较复杂，每一步都可能存在一定的误差，最终导致累积误差较大，影响燃料电池电堆组装时的定位准确性，增加气体流通过程中的阻力等，从而影响电池的性能。传统阴极二合一制备方法效率较低，批量的阴极碳纸与膜电极二合一一致性较差，这些因素将不利于后续步骤的实施和发挥电堆的最优性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池阴极扩散层和膜电极二合一高效制备方法，以解决传统阴极二合一制备方法效率较低，批量的阴极碳纸与膜电极二合一一致性较差的问题；通过合理的加工工序设计，提高工作效率，保证阴极碳纸和CCM制备的二合一保持高的一致性，有利于实现电堆组装的准确定位和提高电堆的性能。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种燃料电池阴极扩散层和膜电极二合一高效制备方法，包括以下步骤：
S1：制备阴极碳纸：在阴极碳纸上加工若干依次排列的进气孔；
S2：定位阴极碳纸：将阴极碳纸放至涂胶工装中进行定位；
S3：涂胶处理：对放置在涂胶工装中的阴极碳纸按照预定的轨迹进行涂胶；
S4：贴合处理：将与阴极碳纸尺寸对应的膜电极对中贴合在涂胶完成的阴极碳纸上，并施加压力保持一段时间，得到组合体半成品；
S5：取出半成品：将组合体半成品从涂胶工装中取出并翻面；
S6：安装密封圈：在组合体半成品背面的进气孔内安装密封圈，得到组合体成品；
S7：裁剪成品：对组合体成品进行裁剪，得到二合一单体。
进一步，所述涂胶工装的四边分别设有两组用于对阴极碳纸进行定位的定位凸起；所述涂胶工装上设有与涂胶机安装的安装孔。
进一步，所述涂胶工装上还设有两组定位孔，所述定位孔能够与所述阴极碳纸上的两个进气孔的位置对应。
进一步，两个所述定位孔分别能够与所述阴极碳纸上的两个对角的进气孔对应。
进一步，所述定位凸起的截面为三角形。
进一步，在步骤S2中，阴极碳纸放至涂胶工装后，阴极碳纸的底面与涂胶工装的底面贴合。
进一步，在步骤S3中，采用密封胶实现密封圈与进气孔的固定。
进一步，在步骤S7中，具体的裁剪方式为：首先将组合体成品沿纵向裁切成多个组合体，再将组合体沿横向裁切，形成若干二合一单体。
进一步，使用裁剪工装进行裁剪，所述裁剪工装包括定位工装和裁切刀具，所述定位工装包括固定板、定位块和压紧板，所述定位块固定在所述固定板上，所述定位块为L型结构，所述定位块用于对组合体成品相邻的两边进行定位；所述压紧板设有四组，四组压紧板分别转动连接在所述固定板的四边；每组所述压紧板的内侧均设有若干压紧块，所述压紧块用于压紧所述组合体成品的侧边；所述压紧块与所述二合一单体未裁切位置对应；所述裁切刀具包括横向裁切刀具和竖向裁切刀具，所述横向裁切刀具和竖向裁切刀具均为多刃刀具，所述裁切刀具固定在所述固定板的上方。
本技术方案的有益效果在于：①本技术方案可以批量制备阴极碳纸和膜电极贴合的二合一单体，制备速度快，尺寸一致性高，可达到提高阴极碳纸与膜电极二合一单体制备效率的目的，有利于实现自动化生产；并且保证尺寸的一致性，还有利于实现电堆组装的准确定位和提高电堆的性能。②设置八个定位凸起来对阴极碳纸进行定位，使得阴极碳纸准确定位到对应的位置。③由于阴极碳纸有时会存在一定的尺寸偏差，因此如果采用边定位或面定位，可能会出现无法放进涂胶工装内的情况，因此本技术方案采用三点形尖端进行定位，能够解决上述问题。④设置两个定位孔能够对阴极碳纸的放置位置进行准确性检验。⑤本技术方案设置裁剪工装来对组合体成品进行裁切，不仅能够对组合体成品进行定位和压紧，还通过多刃刀具实现快速准确地裁切。
附图说明
图1为本发明一种燃料电池阴极扩散层和膜电极二合一高效制备方法的流程图；
图2为二合一单体的制备图；
图3为本发明中涂胶工装的俯视图；
图4为本发明中涂胶工装的主视图；
图5为本发明中定位工装的俯视图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：涂胶工装1、定位凸起2、安装孔3、定位孔4、组合体成品5、固定板6、定位块7、压紧板8、压紧块9、进气孔10。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例基本如附图1-5所示：一种燃料电池阴极扩散层和膜电极二合一高效制备方法，包括以下步骤：
S1：制备阴极碳纸：在阴极碳纸上加工若干依次排列的进气孔10；
S2：定位阴极碳纸：将阴极碳纸放至涂胶工装1中进行定位，阴极碳纸的底面与涂胶工装1的底面贴合，铺平，不能有翘曲；
S3：涂胶处理：对放置在涂胶工装1中的阴极碳纸按照预定的轨迹进行阴极碳纸周边及中间位置的涂胶作业；
S4：贴合处理：将与阴极碳纸尺寸对应的膜电极对中贴合在涂胶完成的阴极碳纸上，并施加压力保压一段时间，实现密封胶的可靠密封，得到组合体半成品；
S5：取出半成品：将组合体半成品从涂胶工装1中取出并翻面；
S6：安装密封圈：在组合体半成品背面的进气孔10内安装环形硅胶密封圈，采用密封胶实现环形硅胶密封圈与进气孔10的固定得到组合体成品5；
S7：裁剪成品：对组合体成品5进行裁剪，得到二合一单体。
涂胶工装1的四边分别设有两组用于对阴极碳纸进行定位的定位凸起2，定位凸起2的截面为三角形，三角形的尖端用于对阴极碳纸进行定位；由于阴极碳纸有时会存在一定的尺寸偏差，因此如果采用边定位或面定位，可能会出现无法放进涂胶工装1内的情况，因此本技术方案采用三点形尖端进行定位，避免无法放入涂胶工装1内的情况。涂胶工装1上设有与涂胶机安装的安装孔3，具体设有两组安装孔3，且分别位于涂胶工装1的对角线位置。涂胶工装1上还设有两组定位孔4，定位孔4能够与阴极碳纸上的两个进气孔10的位置对应，具体地两个定位孔4分别能够与阴极碳纸上的两个对角的进气孔10对应。使用时，将涂胶工装1上的安装孔3与涂胶机安装，将阴极碳纸放在涂胶工装1内，定位凸起2的尖端对阴极碳纸的四边进行定位，根据定位孔4来对阴极碳纸的放置位置进行准确性检验，也即是看定位孔4与该位置的进气孔10是否对准。然后涂胶机根据预先设置的轨迹在阴极碳纸上进行涂胶即可。
在步骤S7中，具体的裁剪方式可以分为人为裁剪和批量裁剪，人为裁剪的方式为：首先将组合体成品5沿纵向裁切成多个组合体，再将组合体沿横向裁切，形成若干二合一单体。
批量裁剪时使用裁剪工装进行裁剪，裁剪工装包括定位工装和裁切刀具，定位工装包括固定板6、定位块7和压紧板8，定位块7固定在固定板6上，定位块7为L型结构，定位块7用于对组合体成品5相邻的两边进行定位；压紧板8设有四组，四组压紧板8分别转动连接在固定板6的四边，并且压紧板8的高度低于固定板6的高度，不会影响裁剪刀具的裁剪。每组压紧板8的内侧均设有若干压紧块9，压紧块9用于压紧组合体成品5的侧边；压紧块9与二合一单体未裁切位置对应；裁切刀具包括横向裁切刀具和竖向裁切刀具，横向裁切刀具和竖向裁切刀具均为多刃刀具，裁切刀具固定在固定板6的上方。使用时，首先将组合体成品5的两侧在定位块7内进行定位摆放，然后转动压紧板8，使得压紧板8上的压紧块9将组合体成品5的四边进行压紧。然后分别启动竖向裁切刀具和横向裁切刀具对组合体成品5进行裁切，得到二合一单体。本方案中的压紧块9仅对组合体成品5外周的二合一单体进行压紧，由于各个二合一单体之间的限制，因此未被压紧的二合一单体在裁切的过程中也不会发生移动，并且多刃刀具是批量进行裁切，裁切速度快。
本案可以批量制备阴极碳纸和膜电极贴合的二合一单体，制备速度快，尺寸一致性高，可达到提高阴极碳纸与膜电极二合一单体制备效率的目的，有利于实现自动化生产。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (6)
1.一种燃料电池阴极扩散层和膜电极二合一高效制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：制备阴极碳纸：在阴极碳纸上加工若干依次排列的进气孔；
S2：定位阴极碳纸：将阴极碳纸放至涂胶工装中进行定位；所述涂胶工装的四边分别设有两组用于对阴极碳纸进行定位的定位凸起；所述涂胶工装上设有与涂胶机安装的安装孔；所述涂胶工装上还设有两组定位孔，所述定位孔能够与所述阴极碳纸上的两个进气孔的位置对应；
S3：涂胶处理：对放置在涂胶工装中的阴极碳纸按照预定的轨迹进行涂胶；
S4：贴合处理：将与阴极碳纸尺寸对应的膜电极对中贴合在涂胶完成的阴极碳纸上，并施加压力保持一段时间，得到组合体半成品；
S5：取出半成品：将组合体半成品从涂胶工装中取出并翻面；
S6：安装密封圈：在组合体半成品背面的进气孔内安装密封圈，得到组合体成品；
S7：裁剪成品：对组合体成品进行裁剪，得到二合一单体；具体的裁剪方式为：首先将组合体成品沿纵向裁切成多个组合体，再将组合体沿横向裁切，形成若干二合一单体。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极扩散层和膜电极二合一高效制备方法，其特征在于：两个所述定位孔分别能够与所述阴极碳纸上的两个对角的进气孔对应。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极扩散层和膜电极二合一高效制备方法，其特征在于：所述定位凸起的截面为三角形。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极扩散层和膜电极二合一高效制备方法，其特征在于：在步骤S2中，阴极碳纸放至涂胶工装后，阴极碳纸的底面与涂胶工装的底面贴合。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极扩散层和膜电极二合一高效制备方法，其特征在于：在步骤S3中，采用密封胶实现密封圈与进气孔的固定。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极扩散层和膜电极二合一高效制备方法，其特征在于：使用裁剪工装进行裁剪，所述裁剪工装包括定位工装和裁切刀具，所述定位工装包括固定板、定位块和压紧板，所述定位块固定在所述固定板上，所述定位块为L型结构，所述定位块用于对组合体成品相邻的两边进行定位；所述压紧板设有四组，四组压紧板分别转动连接在所述固定板的四边；每组所述压紧板的内侧均设有若干压紧块，所述压紧块用于压紧所述组合体成品的侧边；所述压紧块与所述二合一单体未裁切位置对应；所述裁切刀具包括横向裁切刀具和竖向裁切刀具，所述横向裁切刀具和竖向裁切刀具均为多刃刀具，所述裁切刀具固定在所述固定板的上方。
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