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(fā)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(gòu)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(gòu)成噴涂夾具，可同時(shí)用于正面噴涂和反面噴涂；通用組件與偶數(shù)個(gè)熱壓墊塊、熱壓組裝墊板、兩個(gè)熱壓定位板、熱壓上蓋板、熱壓下蓋板、熱壓限厚塊組合后構(gòu)成熱壓夾具，及其加工工藝。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了正面噴涂夾具、反面噴涂夾具和熱壓夾具的聯(lián)用，避免了膜電極制備各工藝中因更換夾具所導(dǎo)致的質(zhì)子交換膜的反復(fù)拆裝，進(jìn)而避免了膜電極中質(zhì)子交換膜的褶皺、位置偏移、污染甚至破損，提高了膜電極產(chǎn)品的成品率，節(jié)約了夾具組裝時(shí)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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池【技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[0002]膜電極制備技術(shù)是直接影響燃料電池性能的技術(shù)，然而膜電極規(guī)?；圃斓碾y度較大，主要是因?yàn)槟る姌O中的質(zhì)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(jī)械強(qiáng)度不高；其次質(zhì)子交換膜對(duì)環(huán)境濕度、溫度非常敏感，暴露在空氣中會(huì)快速吸水，導(dǎo)致膜的尺寸顯著脹大、褶皺，溫度升高會(huì)快速脫水，導(dǎo)致膜尺寸大幅收縮、厚度變化。質(zhì)子交換膜對(duì)水、醇也很敏感，接觸水或醇，會(huì)導(dǎo)致膜尺寸的顯著脹大、褶皺。
[0003]然而，在整個(gè)膜電極制造工藝中，對(duì)質(zhì)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(zhì)子交換膜的正反兩面均勻涂覆催化劑溶液、用高溫蒸發(fā)催化劑溶劑、熱壓擴(kuò)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(jīng)受熱壓機(jī)中溫度和壓力的雙重考驗(yàn)。
[0004]因此，膜電極制備中所用的夾具相當(dāng)關(guān)鍵，完全依靠它來支撐質(zhì)子交換膜，直至完成膜電極的制備。在現(xiàn)有技術(shù)中，通常會(huì)針對(duì)各個(gè)工序分別設(shè)計(jì)專用的夾具來夾裝，如噴涂催化劑時(shí)用噴涂夾具，到了熱壓膜電極工藝時(shí)則換用熱壓夾具。各個(gè)工序的夾具則一般會(huì)被設(shè)計(jì)成用螺栓或定位銷來定位，用上下兩個(gè)平板或平整的外框來夾住中間的質(zhì)子交換膜。然而，質(zhì)子交換膜很薄，在空氣中拆裝時(shí)還會(huì)吸水、會(huì)褶皺，尺寸變化會(huì)很大，定位孔間距會(huì)偏移，靠螺孔來定位的重復(fù)性很差。螺栓夾持的受力不均，在膜受熱收縮時(shí)容易造成褶皺。另外，夾具中螺栓設(shè)計(jì)過多，還會(huì)造成制造中拆裝螺絲的工作量太大。另外，膜的機(jī)械強(qiáng)度又不高，反復(fù)拆裝時(shí)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(xiàn)有技術(shù)中的專利申請?zhí)?01210490779.0，僅設(shè)計(jì)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(zhì)子交換膜、陰陽極和邊框材料，再放入熱壓機(jī)進(jìn)行熱壓。
[0006]專利申請?zhí)?01220568933.7，從實(shí)施例可以看出，僅設(shè)計(jì)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(zhì)子交換膜膜暴露在空氣中吸水或受熱，導(dǎo)致的定位孔尺寸偏移、鋪膜無法平整的問題。且規(guī)?；a(chǎn)中，12顆螺絲的拆裝工作量較大，而且反復(fù)拆裝容易磨損夾具的螺紋。
[0007]專利申請?zhí)?010557659.9，設(shè)計(jì)了膜電極的熱壓夾具，該設(shè)計(jì)必須涂覆脫模劑，否則無法脫模，但這會(huì)污染膜電極。而且膜電極在熱壓時(shí)容易掉落碳纖維渣，每次熱壓都需要仔細(xì)清理凹槽，否則影響熱壓平整度。該設(shè)計(jì)僅利用膜電極外框來定位，沒有考慮在膜電極的三明治結(jié)構(gòu)中，質(zhì)子交換膜、擴(kuò)散層或陰陽極通常尺寸會(huì)比邊框材料尺寸略小，這種情況下該設(shè)計(jì)非常難以定位。僅適用于小規(guī)模制備，在大批量生產(chǎn)中無法應(yīng)用。[0008]專利申請?zhí)?01310067915.X及申請?zhí)?01110427036.4，各設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)得很厚，加熱時(shí)傳熱很困難，對(duì)擰螺絲的力度要求也很高，反復(fù)使用螺桿或螺紋易磨損，僅適用于小規(guī)模制備，在大批量生產(chǎn)中無法應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)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(chǎn)品的成品率，節(jié)約了夾具組裝時(shí)間、工作量。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)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(gòu)成，所述第一金屬上框與所述第一金屬下框重疊設(shè)置，所述第一長尾夾夾持在兩者邊緣；所述噴涂掩板設(shè)在所述第一金屬上框上方，所述吸氣底盤設(shè)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(shù)個(gè)熱壓墊塊、兩個(gè)熱壓定位板、熱壓上蓋板、熱壓下蓋板和熱壓限厚塊構(gòu)成；所述第二金屬上框與所述第二金屬下框重疊設(shè)置，所述第二長尾夾夾持在兩者邊緣；所述熱壓下蓋板經(jīng)一個(gè)所述熱壓定位板設(shè)在所述第二金屬上框上方，所述熱壓上蓋板經(jīng)另一所述熱壓定位板設(shè)在所述第二金屬下框的下方；所述熱壓墊塊設(shè)在所述熱壓定位板四周；所述熱壓限厚塊設(shè)在下方的所述熱壓定位板的外圍。
[0011]進(jìn)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(duì)應(yīng)位置上各設(shè)有8?16個(gè)凹槽，該凹槽用于相應(yīng)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(jìn)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(nèi)框尺寸，厚度與金屬上框或金屬下框的厚度相同。
[0013]進(jìn)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(jìn)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(nèi)六角螺絲構(gòu)成，該內(nèi)六角螺絲固定在該金屬平板上。
[0015]進(jìn)一步地，所述熱壓限厚塊為L形板。
[0016]進(jìn)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(shù)量的所述熱壓墊塊組合成一個(gè)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(gè)平板；
⑵質(zhì)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(gè)熱壓定位板于框膜組件中；
④向該熱壓定位板中放入擴(kuò)散層或電極片、一半數(shù)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(kuò)散層或電極片、另一半數(shù)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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了正面噴涂夾具、反面噴涂夾具和熱壓夾具的聯(lián)用，避免了膜電極制備各工藝中因更換夾具所導(dǎo)致的質(zhì)子交換膜的反復(fù)拆裝，進(jìn)而避免了膜電極中質(zhì)子交換膜的褶皺、位置偏移、污染甚至破損，提高了膜電極產(chǎn)品的成品率，節(jié)約了夾具組裝時(shí)間、工作量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明噴涂夾具的整體爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明熱壓夾具的整體爆炸結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應(yīng)對(duì)本發(fā)明的保護(hù)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(gè)熱壓墊塊8、熱壓組裝墊板9、2個(gè)熱壓定位板10和13、熱壓上蓋板11、熱壓下蓋板7、2?4個(gè)熱壓限厚塊12、8?16個(gè)長尾夾3 ;
其中，由金屬上框2、金屬下框4、8?16個(gè)長尾夾3，金屬上框2與金屬下框4重疊設(shè)置，長尾夾3夾持在兩者邊緣，構(gòu)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(shè)在通用組件上方，吸氣底盤5設(shè)在通用組件下方，整體構(gòu)成了噴涂夾具；
通用組件與2?20個(gè)熱壓墊塊8、熱壓組裝墊板9、2個(gè)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(jīng)熱壓定位板10設(shè)在通用組件上方，熱壓上蓋板11經(jīng)另一熱壓定位板13設(shè)在通用組件下方；熱壓墊塊8設(shè)在熱壓定位板10和13的四周；熱壓限厚塊12設(shè)在熱壓定位板13的外圍，整體構(gòu)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(duì)應(yīng)位置上各有8?16個(gè)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(gè)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(cè)和金屬下框4的上側(cè)，均粘附有一層平滑的硅膠墊；金屬下框有2個(gè)定位銷，其中I個(gè)定位銷用于輔助質(zhì)子交換膜平鋪時(shí)的定位；金屬上框有2個(gè)定位孔，配合金屬下框的2個(gè)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(nèi)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(cè)面四邊不透氣，上下表面及內(nèi)部均為多孔透氣結(jié)構(gòu)，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(zhì)。
[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(jù)膜電極的外形及產(chǎn)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(gè)平板
2、質(zhì)子交換膜鋪于平板上方，靠金屬下框的I個(gè)定位銷和3個(gè)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(nèi)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(kuò)散層或電極片、一半數(shù)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(kuò)散層或電極片、另一半數(shù)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(fā)明用長尾夾代替了螺栓對(duì)夾具進(jìn)行夾持，也避免了螺紋的磨損、質(zhì)子交換膜定位偏移、組裝時(shí)的費(fèi)時(shí)費(fèi)勁，從而提高了夾具的重復(fù)使用壽命、節(jié)約了夾具組裝時(shí)間、工作量。
[0026]本發(fā)明組裝快速、夾具各組件外形簡單易于加工、反復(fù)使用壽命高、產(chǎn)品定位精度高，適合大規(guī)模批量制備燃料電池膜電極。
【權(quán)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(gòu)成，所述第一金屬上框與所述第一金屬下框重疊設(shè)置，所述第一長尾夾夾持在兩者邊緣；所述噴涂掩板設(shè)在所述第一金屬上框上方，所述吸氣底盤設(shè)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(shù)個(gè)熱壓墊塊、兩個(gè)熱壓定位板、熱壓上蓋板、熱壓下蓋板和熱壓限厚塊構(gòu)成；所述第二金屬上框與所述第二金屬下框重疊設(shè)置，所述第二長尾夾夾持在兩者邊緣；所述熱壓下蓋板經(jīng)一個(gè)所述熱壓定位板設(shè)在所述第二金屬上框上方，所述熱壓上蓋板經(jīng)另一所述熱壓定位板設(shè)在所述第二金屬下框的下方；所述熱壓墊塊設(shè)在所述熱壓定位板四周；所述熱壓限厚塊設(shè)在下方的所述熱壓定位板的外圍。
2.如權(quán)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(duì)應(yīng)位置上各設(shè)有8~16個(gè)凹槽，該凹槽用于相應(yīng)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(quán)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(nèi)框尺寸，厚度與金屬上框或金屬下框的厚度相同。
4.如權(quán)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(quán)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(nèi)六角螺絲構(gòu)成，該內(nèi)六角螺絲固定在該金屬平板上。
6.如權(quán)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(quán)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(shù)量的所述熱壓墊塊組合成一個(gè)矩形。
8.—種如權(quán)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(gè)平板； ⑵質(zhì)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(gè)熱壓定位板于框膜組件中； ④向該熱壓定位板中放入擴(kuò)散層或電極片、一半數(shù)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(kuò)散層或電極片、另一半數(shù)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(hào)】B25B11/00GK103811770SQ201410024434
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】黃林, 顧軍, 陳佳, 張峰, 鄒志剛 申請人:南京大學(xué)昆山創(chuàng)新研究院