燃料電池膜電極制備夾具及其加工工藝的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種燃料電池膜電極制備夾具，包含噴涂夾具和熱壓夾具，由金屬上框、金屬下框、長尾夾，構成通用組件；通用組件與吸氣底盤、鋪膜底盤、噴涂掩板組合后構成噴涂夾具，可同時用于正面噴涂和反面噴涂；通用組件與偶數個熱壓墊塊、熱壓組裝墊板、兩個熱壓定位板、熱壓上蓋板、熱壓下蓋板、熱壓限厚塊組合后構成熱壓夾具，及其加工工藝。本發明實現了正面噴涂夾具、反面噴涂夾具和熱壓夾具的聯用，避免了膜電極制備各工藝中因更換夾具所導致的質子交換膜的反復拆裝，進而避免了膜電極中質子交換膜的褶皺、位置偏移、污染甚至破損，提高了膜電極產品的成品率，節約了夾具組裝時間、工作量。
【專利說明】燃料電池膜電極制備夾具及其加工工藝【技術領域】
[0001]本發明涉及燃料電池【技術領域】，尤其是一種燃料電池膜電極制備夾具，及其加工工藝。
【背景技術】
[0002]膜電極制備技術是直接影響燃料電池性能的技術，然而膜電極規模化制造的難度較大，主要是因為膜電極中的質子交換膜非常特殊，首先它很薄，通常只有十幾微米到幾十微米之間，機械強度不高；其次質子交換膜對環境濕度、溫度非常敏感，暴露在空氣中會快速吸水，導致膜的尺寸顯著脹大、褶皺，溫度升高會快速脫水，導致膜尺寸大幅收縮、厚度變化。質子交換膜對水、醇也很敏感，接觸水或醇，會導致膜尺寸的顯著脹大、褶皺。
[0003]然而，在整個膜電極制造工藝中，對質子交換膜的平整度、厚度均一的要求很高，要求自始至終都是平整的。但在膜電極制造過程中，在質子交換膜的正反兩面均勻涂覆催化劑溶液、用高溫蒸發催化劑溶劑、熱壓擴散層或陰陽極和邊框材料等制造工藝中，不可避免地需要與空氣、水、醇接觸，且多次受到90°C~150°C高溫和常溫之間的變換，還要經受熱壓機中溫度和壓力的雙重考驗。
[0004]因此，膜電極制備中所用的夾具相當關鍵，完全依靠它來支撐質子交換膜，直至完成膜電極的制備。在現有技術中，通常會針對各個工序分別設計專用的夾具來夾裝，如噴涂催化劑時用噴涂夾具，到了熱壓膜電極工藝時則換用熱壓夾具。各個工序的夾具則一般會被設計成用螺栓或定位銷來定位，用上下兩個平板或平整的外框來夾住中間的質子交換膜。然而，質子交換膜很薄，在空氣中拆裝時還會吸水、會褶皺，尺寸變化會很大，定位孔間距會偏移，靠螺孔來定位的重復性很差。螺栓夾持的受力不均，在膜受熱收縮時容易造成褶皺。另外，夾具中螺栓設計過多，還會造成制造中拆裝螺絲的工作量太大。另外，膜的機械強度又不高，反復拆裝時易損壞，在空氣中吸水變形后也非常難以鋪平，還很容易沾塵受污染。
[0005]如現有技術中的專利申請號201210490779.0，僅設計了膜電極的熱壓夾具，即用熱壓夾具中的上下蓋框及螺栓重新定位好質子交換膜、陰陽極和邊框材料，再放入熱壓機進行熱壓。
[0006]專利申請號201220568933.7，從實施例可以看出，僅設計了膜電極的噴涂夾具，雖然在膜電極夾具中加入了防滑緩沖墊，但仍然使用了螺孔來定位，無法解決質子交換膜膜暴露在空氣中吸水或受熱，導致的定位孔尺寸偏移、鋪膜無法平整的問題。且規模化生產中，12顆螺絲的拆裝工作量較大，而且反復拆裝容易磨損夾具的螺紋。
[0007]專利申請號2010557659.9，設計了膜電極的熱壓夾具，該設計必須涂覆脫模劑，否則無法脫模，但這會污染膜電極。而且膜電極在熱壓時容易掉落碳纖維渣，每次熱壓都需要仔細清理凹槽，否則影響熱壓平整度。該設計僅利用膜電極外框來定位，沒有考慮在膜電極的三明治結構中，質子交換膜、擴散層或陰陽極通常尺寸會比邊框材料尺寸略小，這種情況下該設計非常難以定位。僅適用于小規模制備，在大批量生產中無法應用。[0008]專利申請號201310067915.X及申請號201110427036.4，各設計了一種熱壓夾具，
此夾具靠螺絲施壓，僅需加熱即可完成熱壓。但為了保證平整度，必須將夾具設計得很厚，加熱時傳熱很困難，對擰螺絲的力度要求也很高，反復使用螺桿或螺紋易磨損，僅適用于小規模制備，在大批量生產中無法應用。
【發明內容】
[0009]本發明針對現有技術的不足，提出一種燃料電池膜電極制備夾具，提高了膜電極產品的成品率，節約了夾具組裝時間、工作量。
[0010]為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案:一種燃料電池膜電極制備夾具，包含噴涂夾具和熱壓夾具，所述噴涂夾具由第一金屬上框、第一金屬下框、第一長尾夾、吸氣底盤和噴涂掩板構成，所述第一金屬上框與所述第一金屬下框重疊設置，所述第一長尾夾夾持在兩者邊緣；所述噴涂掩板設在所述第一金屬上框上方，所述吸氣底盤設在所述第一金屬下框的下方；
所述熱壓夾具由第二金屬上框、第二金屬下框、第二長尾夾、偶數個熱壓墊塊、兩個熱壓定位板、熱壓上蓋板、熱壓下蓋板和熱壓限厚塊構成；所述第二金屬上框與所述第二金屬下框重疊設置，所述第二長尾夾夾持在兩者邊緣；所述熱壓下蓋板經一個所述熱壓定位板設在所述第二金屬上框上方，所述熱壓上蓋板經另一所述熱壓定位板設在所述第二金屬下框的下方；所述熱壓墊塊設在所述熱壓定位板四周；所述熱壓限厚塊設在下方的所述熱壓定位板的外圍。
[0011]進一步地，所述金屬上框和所述金屬下框的厚度一致，在兩者的對應位置上各設有8?16個凹槽，該凹槽用于相應的長尾夾來夾持，長尾夾的兩把手間距小于兩者的總厚度。
[0012]進一步地，所述吸氣底盤的長寬小于金屬上框或金屬下框的內框尺寸，厚度與金屬上框或金屬下框的厚度相同。
[0013]進一步地，所述噴涂掩板為十字形板、豐字形板或井字形板。
[0014]進一步地，所述熱壓上蓋板或所述熱壓下蓋板由金屬平板和六顆內六角螺絲構成，該內六角螺絲固定在該金屬平板上。
[0015]進一步地，所述熱壓限厚塊為L形板。
[0016]進一步地，所述熱壓定位板為十字形平板、豐字形板或井字形板；所述熱壓定位板與一半數量的所述熱壓墊塊組合成一個矩形。
[0017]一種如上所述燃料電池膜電極制備夾具的加工工藝，包括噴涂夾具的制備過程和熱壓夾具的制備過程:
8.1嗔涂夾具的制備過程為:
⑴將金屬下框與鋪膜底盤組合為一個平板；
⑵質子交換膜平鋪于上述平板上方；
⑶蓋上金屬上框，夾持長尾夾，形成框膜組件；
⑷將鋪膜底盤固定在噴涂儀的吸氣底盤上；
(5)將噴涂掩板放置于金屬上框的框中，形成正面噴涂夾具；
(6)第一面噴涂完畢，取出噴涂掩板，將框膜組件翻面，金屬上框朝下，再與鋪膜底盤組合，放置噴涂掩板，形成反面噴涂夾具；
8.2熱壓夾具的組裝步驟制備過程:
①將熱壓組裝墊板放置在熱壓下蓋板上；
②將框膜組件與熱壓組裝墊板組合；
③放置一個熱壓定位板于框膜組件中；
④向該熱壓定位板中放入擴散層或電極片、一半數量的熱壓墊塊；
⑤蓋上熱壓上蓋板，夾持熱壓下蓋板和熱壓上蓋板，翻面，熱壓上蓋板朝下；
⑥移除熱壓下蓋板、熱壓組裝墊板，安裝另一熱壓定位板；
⑦向熱壓定位板中放入擴散層或電極片、另一半數量的熱壓墊塊；
⑧安放熱壓限厚塊；
⑨蓋上熱壓下蓋板，即形成熱壓夾具。
[0018]與現有技術相比，本發明具有以下優點:本發明實現了正面噴涂夾具、反面噴涂夾具和熱壓夾具的聯用，避免了膜電極制備各工藝中因更換夾具所導致的質子交換膜的反復拆裝，進而避免了膜電極中質子交換膜的褶皺、位置偏移、污染甚至破損，提高了膜電極產品的成品率，節約了夾具組裝時間、工作量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明噴涂夾具的整體爆炸結構示意圖；
圖2為本發明熱壓夾具的整體爆炸結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明進行詳細描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應對本發明的保護范圍有任何的限制作用。
[0021]如圖1和2所示的一種燃料電池膜電極制備夾具，包含以下組件:金屬上框2、金屬下框4、吸氣底盤5、鋪膜底盤6、噴涂掩板1、2?20個熱壓墊塊8、熱壓組裝墊板9、2個熱壓定位板10和13、熱壓上蓋板11、熱壓下蓋板7、2?4個熱壓限厚塊12、8?16個長尾夾3 ;
其中，由金屬上框2、金屬下框4、8?16個長尾夾3，金屬上框2與金屬下框4重疊設置，長尾夾3夾持在兩者邊緣，構成通用組件；
通用組件與吸氣底盤5、鋪膜底盤6、噴涂掩板I組合:噴涂掩板I設在通用組件上方，吸氣底盤5設在通用組件下方，整體構成了噴涂夾具；
通用組件與2?20個熱壓墊塊8、熱壓組裝墊板9、2個熱壓定位板10和13、熱壓上蓋板11、熱壓下蓋板7、熱壓限厚塊12組合:熱壓下蓋板7經熱壓定位板10設在通用組件上方，熱壓上蓋板11經另一熱壓定位板13設在通用組件下方；熱壓墊塊8設在熱壓定位板10和13的四周；熱壓限厚塊12設在熱壓定位板13的外圍，整體構成了熱壓夾具。
[0022]其中，金屬上框2和金屬下框3厚度一致，在金屬上框2和金屬下框3的對應位置上各有8?16個凹槽，凹槽用于長尾夾3夾持金屬上框2和金屬下框4，夾持后單個長尾夾3的兩把手間距小于金屬上框2和金屬下框4的總厚度；在金屬上框2的下側和金屬下框4的上側，均粘附有一層平滑的硅膠墊；金屬下框有2個定位銷，其中I個定位銷用于輔助質子交換膜平鋪時的定位；金屬上框有2個定位孔，配合金屬下框的2個定位銷使用；其中，鋪膜底盤6的長寬尺寸略小于金屬上框2、金屬下框4的內框尺寸，厚度尺寸與金屬上框2或金屬下框4的厚度一致；
吸氣底盤5，尺寸同鋪膜底盤6，側面四邊不透氣，上下表面及內部均為多孔透氣結構，多孔金屬(如多孔鋁板、多孔不銹鋼板、泡沫鋁、泡沫鎳等)或多孔石墨材質。
[0023]噴涂掩板，具體為十字形或豐字形或其它格子，中部有把手，依據膜電極的外形及產量需求制定。
[0024]其中，噴涂夾具的組裝步驟:
1、將金屬下框與鋪膜底盤組合為一個平板
2、質子交換膜鋪于平板上方，靠金屬下框的I個定位銷和3個邊角來輔助定位；
3、蓋上金屬上框、夾持長尾夾，形成框膜組件；
4、將上述框膜組件組合于鋪膜底盤上，該鋪膜底盤一直被固定在噴涂儀的加熱吸氣底盤上，鋪膜底盤的長寬尺寸略小于金屬下框的內框尺寸，厚度尺寸與金屬下框的厚度一致；
5、將噴涂掩板放置于金屬上框的框中，形成正面噴涂夾具；
6、第一面噴涂完畢，取出噴涂掩板，將框膜組件翻面，金屬上框朝下，再與鋪膜底盤組合，放置噴涂掩板，形成反面噴涂夾具；
其中，熱壓夾具的組裝步驟:
1、將熱壓組裝墊板放置在熱壓下蓋板上；
2、將框膜組件與熱壓組裝墊板組合；
3、放置熱壓定位板于框膜組件中；
4、向熱壓定位板中放入擴散層或電極片、一半數量的熱壓墊塊；
5、蓋上熱壓上蓋板，夾持熱壓下蓋板和熱壓上蓋板，翻面，熱壓上蓋板朝下；
6、移除熱壓下蓋板、熱壓組裝墊板，安裝熱壓定位板；
7、向熱壓定位板I中放入擴散層或電極片、另一半數量的熱壓墊塊；
8、安放熱壓限厚塊；
9、蓋上熱壓下蓋板，即形成熱壓夾具。
[0025]本發明用長尾夾代替了螺栓對夾具進行夾持，也避免了螺紋的磨損、質子交換膜定位偏移、組裝時的費時費勁，從而提高了夾具的重復使用壽命、節約了夾具組裝時間、工作量。
[0026]本發明組裝快速、夾具各組件外形簡單易于加工、反復使用壽命高、產品定位精度高，適合大規模批量制備燃料電池膜電極。
【權利要求】
1.一種燃料電池膜電極制備夾具，包含噴涂夾具和熱壓夾具，其特征在于:所述噴涂夾具由第一金屬上框、第一金屬下框、第一長尾夾、吸氣底盤和噴涂掩板構成，所述第一金屬上框與所述第一金屬下框重疊設置，所述第一長尾夾夾持在兩者邊緣；所述噴涂掩板設在所述第一金屬上框上方，所述吸氣底盤設在所述第一金屬下框的下方； 所述熱壓夾具由第二金屬上框、第二金屬下框、第二長尾夾、偶數個熱壓墊塊、兩個熱壓定位板、熱壓上蓋板、熱壓下蓋板和熱壓限厚塊構成；所述第二金屬上框與所述第二金屬下框重疊設置，所述第二長尾夾夾持在兩者邊緣；所述熱壓下蓋板經一個所述熱壓定位板設在所述第二金屬上框上方，所述熱壓上蓋板經另一所述熱壓定位板設在所述第二金屬下框的下方；所述熱壓墊塊設在所述熱壓定位板四周；所述熱壓限厚塊設在下方的所述熱壓定位板的外圍。
2.如權利要求1所述燃料電池膜電極制備夾具，其特征在于:所述金屬上框和所述金屬下框的厚度一致，在兩者的對應位置上各設有8~16個凹槽，該凹槽用于相應的長尾夾來夾持，長尾夾的兩把手間距小于兩者的總厚度。
3.如權利要求2所述燃料電池膜電極制備夾具，其特征在于:所述吸氣底盤的長寬小于金屬上框或金屬下框的內框尺寸，厚度與金屬上框或金屬下框的厚度相同。
4.如權利要求1所述燃料電池膜電極制備夾具，其特征在于:所述噴涂掩板為十字形板、豐字形板或井字形板。
5.如權利要求1所述燃料電池膜電極制備夾具，其特征在于:所述熱壓上蓋板或所述熱壓下蓋板由金屬平板和六顆內六角螺絲構成，該內六角螺絲固定在該金屬平板上。
6.如權利要求1所 述燃料電池膜電極制備夾具，其特征在于:所述熱壓限厚塊為L形板。
7.如權利要求1所述燃料電池膜電極制備夾具，其特征在于:所述熱壓定位板為十字形平板、豐字形板或井字形板；所述熱壓定位板與一半數量的所述熱壓墊塊組合成一個矩形。
8.—種如權利要求1所述燃料電池膜電極制備夾具的加工工藝，包括噴涂夾具的制備過程和熱壓夾具的制備過程: 8.1嗔涂夾具的制備過程為: ⑴將金屬下框與鋪膜底盤組合為一個平板； ⑵質子交換膜平鋪于上述平板上方； ⑶蓋上金屬上框，夾持長尾夾，形成框膜組件； ⑷將鋪膜底盤固定在噴涂儀的吸氣底盤上； (5)將噴涂掩板放置于金屬上框的框中，形成正面噴涂夾具； (6)第一面噴涂完畢，取出噴涂掩板，將框膜組件翻面，金屬上框朝下，再與鋪膜底盤組合，放置噴涂掩板，形成反面噴涂夾具； 8.2熱壓夾具的組裝步驟制備過程: ①將熱壓組裝墊板放置在熱壓下蓋板上； ②將框膜組件與熱壓組裝墊板組合； ③放置一個熱壓定位板于框膜組件中； ④向該熱壓定位板中放入擴散層或電極片、一半數量的熱壓墊塊；⑤蓋上熱壓上蓋板，夾持熱壓下蓋板和熱壓上蓋板，翻面，熱壓上蓋板朝下；⑥移除熱壓下蓋板、熱壓組裝墊板，安裝另一熱壓定位板；⑦向熱壓定位板中放入擴散層或電極片、另一半數量的熱壓墊塊；⑧安放熱壓限厚塊；⑨蓋上熱壓下蓋板，即形成 熱壓夾具。
【文檔編號】B25B11/00GK103811770SQ201410024434
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月20日 優先權日:2014年1月20日
【發明者】黃林, 顧軍, 陳佳, 張峰, 鄒志剛 申請人:南京大學昆山創新研究院