CN220585260U - 燃料电池膜电极转印及热压贴合装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于燃料电池制造技术领域，公开了一种燃料电池膜电极转印及热压贴合装置，包括上压板、下压板和加热底板，所述上压板和下压板之间设有空腔，所述空腔朝向上压板的一面设有通气孔，所述通气孔在工作状态与外部压缩气体输气管连通。燃料电池膜电极转印及热压过程中，向空腔内通入压缩气体，由压缩气体提供对上压板、下压板间的多层膜电极的工作压力，进行转印及热压。与传统的上压板、下压板直接压覆多层膜电极相比，避免了PTFE催化层边缘与质子交换膜相交处应力比较集中的现象出现，也能够避免传统热压机在大尺寸CCM热转印时平行精度不足的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电池的膜电极转印加工设备，属于燃料电池制造技术领域。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种能将氢燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应的方式直接转换为电能的能量转化装置，具有能量转化效率高、无废气排放等特点。质子交换膜燃料电池主要由双极板和膜电极通过依次堆叠装配而成，其中膜电极是多相物质传输和电化学反应场所，决定着燃料电池的性能、寿命及成本。现阶段膜电极制备工艺主要包括：催化层制备——边框密封——气体扩散层贴合。现有膜电极催化层制备方法主要为转印法，即将催化剂浆料先涂覆在聚四氟乙烯薄膜或其它薄膜涂布基材上，再通过热压转印方式转移至质子交换膜上；然后与两片边框膜进行热压贴合，得到五层膜电极，将处理好的气体扩散层(GDL)热压在五层膜电极两侧，即可制得七层膜电极。目前膜电极制备工艺主要有两种：转印法和直涂法。其中转印法制备膜电极通常需要热压机来完成转印工艺，转印工艺和直涂工艺完成后还需要对得到的三层膜电极进行边框密封贴合处理，该工艺也需使用热压机完成。转印过程中要求中间的质子交换膜面积要大于上下两侧带有催化层的聚四氟乙烯(PTFE)膜的面积，而在催化层转印过程中，PTFE催化层边缘与质子交换膜相交处应力比较集中，并且在较高的温度下，会对质子交换膜造成较大的损伤，继而影响到膜电极的使用寿命，并且边框热压贴合过程中同样存在这个问题。
现有转印和贴合工艺主要借助于平板热压机热压实现，但是平板热压机由于受热上下压板会发生一段程度的膨胀，并且由于较大面积的平板热压机其平面度和平行度难以保证精度，而膜电极厚度只有几十微米，质子交换膜更是只有十几微米甚至更薄，因此传统精度的平板热压机的对于膜电极这种超薄的产品就显得较为无力，在进行转印和边框贴合的过程中会使得膜电极受力不均匀，会影响膜电极的性能和耐久性，并且会在边框贴合过程中产生气泡，这也会影响膜电极的性能和外观，而且边框和质子交换膜搭接区域会出现应力集中，对质子交换膜产生应力损伤，进而对膜电极的寿命会产生不利影响。在五层膜电极和气体扩散层热压贴合过程中，由于气体扩散层要压在边框膜上方，这样气体扩散层和催化层之间会存在一定空隙，在热压的过程中，气体扩散层与边框和质子交换膜搭接区域会出现又一次应力集中，进而会影响膜电极的耐久能。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的上述不足，而提出一种燃料电池膜电极转印及热压贴合装置，以解决膜电极转印过程中存在的压力分布不均及边框与CCM(涂覆催化剂的质子交换膜)贴合部位应力集中影响膜电极耐久性的问题。
为了实现上述目的，本实用新型提供了燃料电池膜电极转印及热压贴合装置，包括上压板、下压板和加热底板，所述上压板和下压板之间设有空腔，所述空腔朝向上压板的一面设有通气孔，所述通气孔在工作状态与外部压缩气体输气管连通。
进一步地，所述上压板上对应于转印区的位置开设有凹槽，所述空腔包括凹槽和下压板合围的区域，所述凹槽的底部设有通气孔。
进一步地，所述通气孔有两个且关于上压板的中心点对称设置，所述通气孔与凹槽侧壁的最短距离等于通气孔到上压板中心点的距离。
进一步地，所述上压板和下压板之间设有边框膜，所述边框膜朝向上压板的一侧设有用于密封凹槽的凸出部。
进一步地，所述边框膜朝向膜电极气体扩散层的一侧呈阶梯型。
进一步地，所述通气孔通过不锈钢三通气动接头与外部压缩气体输气管连通。
进一步地，所述边框膜与三层CCM的接触面通过胶黏剂粘接。
进一步地，所述上压板、下压板和加热底板上均设有螺孔，所述上压板、下压板在工作状态通过螺柱与加热底板固定连接，所述上压板对应于螺孔的位置设有平垫圈和弹簧。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：燃料电池膜电极转印及热压过程中，向上压板、下压板之间的空腔内通入压缩气体，由压缩气体提供对上压板、下压板间的多层膜电极的工作压力，进行转印及热压。与传统的上压板、下压板直接压覆多层膜电极相比，避免了PTFE催化层边缘与质子交换膜相交处应力比较集中的现象出现，也能够避免传统热压机在大尺寸CCM热转印时平行精度不足的问题，利于提高膜电极的寿命。
附图说明
图1为本实用新型实施例中的上压板俯视结构示意图；
图2为本实用新型实施例中的下压板结构示意图；
图3为本实用新型实施例中的加热底板侧面结构示意图；
图4为本实用新型实施例中的边框剖面放大结构示意图。
图中：1、上压板；2、下压板；3、凹槽；4、通气孔；5、边框膜；6、凸出部；7、螺柱；8、加热底板；9、阳极气体扩散层；10、阴极气体扩散层；11、三层CCM。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
参阅图1，本实用新型实施例中的燃料电池膜电极转印及热压贴合装置，包括上压板1、下压板2和加热底板8，上压板1和下压板2之间设有空腔，空腔朝向上压板1的一面设有通气孔4，通气孔4在工作状态与外部压缩气体输气管连通。
作为一种可选实施方式，上压板1上对应于转印区的位置开设有凹槽3，空腔包括凹槽3和下压板2合围的区域，凹槽3的底部设有通气孔4。通气孔4在工作状态与外部压缩气体输气管连通，压缩气体输气管上连接有气体压力控制装置。凹槽3的长宽尺寸大于膜电极气体扩散层。
通气孔4有两个且关于上压板1的中心点对称设置，任意一个通气孔4与凹槽3侧壁的最短距离等于该通气孔4到上压板1中心点的距离。左右两边通气孔4同时通气进入凹槽3，利于凹槽3内各处压力快速达到一致。
如图4所示，上压板1和下压板2之间设有边框膜5，边框膜5朝向上压板1的一侧设有用于密封凹槽3的凸出部6。边框膜5的凸出部6与凹槽3的侧壁吻合，在工作状态能够密封住凹槽3的侧壁，减少漏气情况的发生。
边框膜5朝向膜电极气体扩散层的一侧呈阶梯型。膜电极中，阴极气体扩散层10与三层CCM 11尺寸相同，阳极气体扩散层9与活性区域尺寸相同，边框膜5的阶梯型部位可以压住阴极气体扩散层10的边缘部位，从而膜电极与边框膜5的交接区无明显突出部，使膜电极均匀受压。
通气孔4通过不锈钢三通气动接头与外部压缩气体输气管连通，便于连接，不需要工具就能实现管路连通或断开。
边框膜5与三层CCM 11的接触面通过胶黏剂粘接，密封性好。
如图1和2，上压板1、下压板2和加热底板8上均设有螺孔，上压板1、下压板2在工作状态通过螺柱7与加热底板8固定连接，上压板1对应于螺孔的位置设有平垫圈和弹簧，弹簧位于螺孔内。螺孔便于上压板1、下压板2对齐定位，然后通过螺柱7、垫圈等固定在加热底板8上。
使用前，将待转印的膜电极放入下压板2中央位置，将上压板1固定在下压板2表面，其中不锈钢片与待转印膜电极相接触，然后通过气体压力控制装置经由通气孔4向凹槽3内通入一定压强的压缩气体，对膜电极进行保压，保压完成后卸掉气体压力，取出膜电极，转印完成。本实用新型可以在膜电极转印和边框贴合时使得整个膜电极平面受力均匀，避免了边框膜和质子交换膜搭接区域的应力集中，避免了对质子交换膜的应力损伤，并且在气体扩散层和五层膜电极贴合过程中，碳纸平面也会受力均匀不会出现局部压缩形变过大，进而堵塞水气传输通道现象。并且该装置对于平面度和平行度不需要过高的要求，有利于提高膜电极耐久性，大大降低了成本。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不限于此，上述具体实施方案经过适当的组合还可以形成新的技术方案，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变所获得的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.燃料电池膜电极转印及热压贴合装置，包括上压板(1)、下压板(2)和加热底板(8)，其特征在于：所述上压板(1)和下压板(2)之间设有空腔，所述空腔朝向上压板(1)的一面设有通气孔(4)，所述通气孔(4)在工作状态与外部压缩气体输气管连通。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极转印及热压贴合装置，其特征在于：所述上压板(1)上对应于转印区的位置开设有凹槽(3)，所述空腔包括凹槽(3)和下压板(2)合围的区域，所述凹槽(3)的底部设有通气孔(4)。
3.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极转印及热压贴合装置，其特征在于：所述通气孔(4)有两个且关于上压板(1)的中心点对称设置，所述通气孔(4)与凹槽(3)侧壁的最短距离等于通气孔(4)到上压板(1)中心点的距离。
4.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极转印及热压贴合装置，其特征在于：所述上压板(1)和下压板(2)之间设有边框膜(5)，所述边框膜(5)朝向上压板(1)的一侧设有用于密封凹槽(3)的凸出部(6)。
5.根据权利要求4所述的燃料电池膜电极转印及热压贴合装置，其特征在于：所述边框膜(5)朝向膜电极气体扩散层的一侧呈阶梯型。
6.根据权利要求3所述的燃料电池膜电极转印及热压贴合装置，其特征在于：所述通气孔(4)通过不锈钢三通气动接头与外部压缩气体输气管连通。
7.根据权利要求5所述的燃料电池膜电极转印及热压贴合装置，其特征在于：所述边框膜(5)与三层CCM(11)的接触面通过胶黏剂粘接。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的燃料电池膜电极转印及热压贴合装置，其特征在于：所述上压板(1)、下压板(2)和加热底板(8)上均设有螺孔，所述上压板(1)、下压板(2)在工作状态通过螺柱(7)与加热底板(8)固定连接，所述上压板(1)对应于螺孔的位置设有平垫圈和弹簧。
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