CN109301293A - 一种燃料电池膜电极制备工艺及其热压模具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池膜电极制备工艺及其热压模具，属于燃料电池膜电极制作领域，包括底板、下定位片、上定位片、定位框、压块、可移动的刀模底板、下定位片、初始膜电极聚酯边框、上定位片、压块依序设置，其中压块位于定位框中心的定位框通孔内；第一气体扩散层、第二气体扩散层分别位于下定位片通孔、上定位孔通孔内；刀模为镶嵌了刀片的平板，刀模下行时，刀片穿过定位框的通孔和压块之间的缝隙压在上定位片上。本发明通过定位销固定易于扭曲、变形的膜电极，避免在热压时位移；根据需求设计刀模的刀片形状和底板的凹槽形状，可制作任何形状的膜电极组件；使用定位片而不是开设浅槽来固定气体扩散层，加工简单，更换成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池膜电极制备工艺及其热压模具，属于燃料电池膜电极制作领域。
背景技术
燃料电池膜电极组件包括一层带聚酯边框的膜电极，以及在其上、下平面上相对粘合的两片气体扩散层，共三个组件。为了保证对膜电极有效面积的最大利用，需要三个组件结合时对位准确。
专利1公开号[CN103887519A]公开了一种膜电极压合模具及其操作方法。该模具在上、下定位板开设通孔和凹槽来定位气体扩散层和膜电极，但是带有边框的膜电极易于扭曲、变形，无法在凹槽中平铺，导致压合时发生位移。
专利2公开号[CN104708803A]公开了一种燃料电池膜电极压合模具装置及其操作方法。该装置用上、下端板的凹槽来定位气体扩散层，用定位孔和导柱来固定聚酯边框，定位导柱对聚酯边框的拉伸作用保证了边框的平整性。但这种模具仅适合带定位孔的膜电极。
传统的燃料电池膜电极制备工艺存在的不足之处：①不能固定发生扭曲、变形的膜电极；②仅针对带有定位孔的膜电极这种特殊的形状；③精密模块的使用寿命低，更换的成本高。
发明内容
针对上述现有生产技术中的缺点，本发明提供一种燃料电池膜电极制备工艺及其热压模具，从而可有效的解决上述现有技术的缺陷。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池膜电极制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（a）依据所需膜电极聚酯边框的外形确定底板凹槽形状、刀片形状，依据气体扩散层的尺寸确定下定位片通孔、上定位片通孔、定位框通孔、压块的形状；
（b）在底板插入定位销；
（c）下定位片的定位孔穿过定位销，且下定位片通过粘合层粘附在底板上；
（d）在下定位片的通孔中放置第一气体扩散层；
（e）初始膜电极聚酯边框的定位孔穿过所述的定位销，且使初始膜电极聚酯边框紧贴于第一气体扩散层；初始膜电极聚酯边框的尺寸大于所需膜电极聚酯边框（最终产品）；
（f）上定位片的定位孔穿过所述的定位销，且上定位片紧贴于初始膜电极聚酯边框；
（g）在上定位片的通孔中放置第二气体扩散层；
（h）定位框的定位孔穿过所述的定位销，且定位框压在上定位片上；
（i）在定位框的通孔正中心放置压块；
（j）刀模的定位孔穿过所述的定位销，此时刀片穿过定位框的通孔和压块的缝隙压在上定位片上；
（k）将上述组件整体送入热压机中热压。
优选的，步骤（k）中，热压温度为70~180℃，热压压力为0.1~5MPa，热压时间为0.5~2min，热压完毕后取出冷却至室温。还包括步骤（l）更换上定位片，继续热压下一片初始膜电极聚酯边框。
一种燃料电池膜电极热压模具，其特征在于：包括底板、下定位片、上定位片、定位框、压块、可移动的刀模；
底板、下定位片、初始膜电极聚酯边框、上定位片、压块依序设置，其中压块位于定位框中心的定位框通孔内；第一气体扩散层、第二气体扩散层分别位于下定位片通孔、上定位孔通孔内；底板、下定位片、初始膜电极聚酯边框、上定位片、定位框、刀模通过定位销固定连接；
刀模为镶嵌了刀片的平板，刀模下行时，刀片穿过定位框的通孔和压块之间的缝隙压在上定位片上。
刀模下行时，刀片穿过定位框的通孔和压块之间的缝隙且刀片压在上定位片上以切断上定位片、初始膜电极聚酯边框和下定位片；刀片的刀刃的形状与所需膜电极聚酯边框的外形相同；刀片伸出刀模平板的高度比压块、上定位片、下定位片加起来的厚度大0.5~1mm。
所述底板上设置凹槽；凹槽的宽度为4-10mm，凹槽的深度≥1mm；凹槽内填充聚氨酯层；所述下定位片厚度为0.05~0.2mm，在下定位片中心开设所述的下定位片通孔，下定位片通孔的形状与第一气体扩散层的形状相同；所述上定位片与下定位片形状相同；第一气体扩散层和第二扩散层形状相同。
所述定位框外尺寸与底板相同，在定位框中心开设定位框通孔，定位框通孔尺寸按第二气体扩散层的尺寸等比例放大2mm；所述压块的尺寸按第二气体扩散层的尺寸等比例放大1.5~1.8mm，压块厚度比定位框通孔的深度大0.5~1mm。
于底板凹槽与外边缘之间设置底板定位孔；于下定位片、上定位片、定位框、刀模相同的位置分别设置下定位片定位孔、上定位片定位孔、定位框定位孔、刀模定位孔。
所述底板、定位框、压块、刀模的制成材料为不锈钢、铝；所述下定位片的制成材料为一面带粘合层的聚四氟乙烯布；所述上定位片的制成材料为不带粘合层的聚四氟乙烯布。
所需膜电极聚酯边框的外形为矩形、圆、六边形或八边形。
本发明提供一种燃料电池膜电极制备工艺及其热压模具，能够解决传统膜电极制备工艺的缺点，包括：
a.通过定位销固定易于扭曲、变形的膜电极，避免在热压时位移；
b.根据需求设计刀模的刀片形状和底板的凹槽形状，可制作任何形状的膜电极组件；
c.使用定位片而不是开设浅槽来固定气体扩散层，加工简单，更换成本低。
附图说明
图1为一种燃料电池膜电极热压模具的结构示意图；
图2为刀模结构的一种示意图；
图3为一个实施例的去膜电极组件与模具组装完毕，送入热压机前的剖视示意图（初始膜电极聚酯边框仅加宽）；
图4为图3圆圈位置的局部放大图；
图5为刀模结构的另一种示意图；
图6为另一个实施例的去膜电极组件与模具组装完毕，送入热压机前的剖视示意图（初始膜电极聚酯边框加宽且加长）；
图7为图6圆圈位置的局部放大图；
图中，1底板；2下定位片；3第一气体扩散层；4初始膜电极聚酯边框；5第二气体扩散层；6上定位片；7定位框；8压块；9刀模；10刀片；11膜电极聚酯边框定位孔；12凹槽。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明作详细描述，但是本发明不仅限于实施例。
根据图1-5，一种燃料电池膜电极制备工艺，包括以下步骤：
（a）依据所需膜电极聚酯边框的外形确定底板凹槽形状、刀片形状，依据气体扩散层的尺寸确定下定位片通孔、上定位片通孔、定位框通孔、压块的形状；
（b）在底板插入定位销；
（c）下定位片的定位孔穿过定位销并且下定位片通过粘合层粘附在底板上；
（d）在下定位片的通孔中放置第一片气体扩散层（即第一气体扩散层）；
（e）初始膜电极聚酯边框4的定位孔穿过所述的定位销且初始膜电极聚酯边框紧贴于第一片气体扩散层；
（f）上定位片的定位孔穿过所述的定位销且上定位片紧贴于初始膜电极聚酯边框；
（g）在上定位片的通孔中放置第二片气体扩散层（即第二气体扩散层）；
（h）定位框的定位孔穿过所述的定位销且定位框压在上定位片上；
（i）在定位框的通孔正中心放置压块；
（j）刀模的定位孔穿过所述的定位销，此时刀片穿过定位框的通孔和压块的缝隙压在上定位片上；
（k）将上述组件整体送入热压机中，热压温度为70~180℃，热压压力为0.1~5MPa，热压时间为0.5~2min。热压完毕后取出冷却至室温。
（l）更换上定位片，继续热压下一片膜电极组件。
一种燃料电池膜电极制备工艺及其热压模具，包括底板1、下定位片2、上定位片6、定位框7、压块8、刀模9；
所述底板1为一平板，在底板上设置凹槽12，所述的凹槽接触下定位片底部，且在刀片下行时接触刀片。在一个实施例中，设有两条平行设置的凹槽，对应设置有2个平行设置的刀片，凹槽有一定的宽度，凹槽宽度大于刀片（图5，图5中刀片设置于矩形的长度方向，此外刀片还可设置于宽度方向，刀片设置于宽度方向时，凹槽也设置于宽度方向）的厚度，刀刃向下移动时，刀片穿过定位框的通孔和压块的缝隙（缝隙形状和位置对应于刀片形状和位置），正好切在凹槽宽度方向中间的位置（即切在凹槽中央）；每个凹槽的长度不小于所需膜电极聚酯边框（其为矩形）的长度；由于所需膜电极聚酯边框为矩形，初始边框只需要加长或者加宽就可以，无需既加长又加宽，这样可以节省刀片，裁切的时候只切加长（或加宽）的部分即可。凹槽的宽度为4-10mm，凹槽的深度≥1mm；凹槽内填充聚氨酯材料。本实施例中，刀片的长度大于所需膜电极聚酯边框的长度（图3、4、5）。
在另一个实施例中（图6-7、图1、2），凹槽12为一个，凹槽12的整体尺寸略大于所需膜电极聚酯边框的外形尺寸，凹槽中央12a不凹陷且凹槽中央与所需膜电极聚酯边框尺寸形状基本相同，凹槽的凹陷处12b构成一个矩形边框（而在上一个实施例中，相当于两个凹槽的凹陷处构成矩形的两个平行边）；所述的凹槽接触下定位片底部，且在刀片（图2）下行时凹槽的凹槽处12b中央接触刀片；刀刃向下移动时，刀片穿过定位框的通孔和压块的缝隙（缝隙形状和位置对应于刀片形状和位置），正好切在凹槽凹陷处中央，以切割得到所需膜电极聚酯边框；凹槽的宽度为4-10mm，凹槽的深度≥1mm；凹槽内填充聚氨酯材料；所需膜电极聚酯边框对准凹槽中央。
所述下定位片2厚度为0.05~0.2mm，在其中心开设下定位片通孔，下定位片通孔的形状与第一气体扩散层的形状相同；第一气体扩散层与第二气体扩散层尺寸相同；
所述上定位片6与下定位片形状相同；上定位片6厚度为0.05~0.2mm，在其中心开设一上定位片通孔，上定位片通孔的形状与第二气体扩散层的形状相同；
所述定位框7外尺寸与底板相同，在其中心开设一定位框通孔，定位框通孔尺寸（宽度和长度）按第一或第二气体扩散层的尺寸等比例放大2mm；
所述压块8为一平板，其尺寸（宽度和长度）按第一或第二气体扩散层的尺寸（等比例放大1.5~1.8mm，其厚度比定位框通孔的深度大0.5~1mm；
所述刀模9为镶嵌了刀片10的平板，刀片10的刀刃的形状与所需膜电极聚酯边框的外形相同，在图2中刀刃的形状与所需膜电极聚酯边框的外形完全相同，在图5中刀刃的形状与所需膜电极聚酯边框的长度相同（由于初始膜电极聚酯边框只加宽未加长，故只需减少宽度）；刀片伸出平板的高度比压块、上定位片、下定位片加起来的厚度大0.5~1mm。
于底板凹槽与外边缘之间设置4个圆形底板定位孔（对应于4个膜电极聚酯边框定位孔11的位置）；于下定位片、上定位片、定位框、刀模相同的位置（即对应于4个膜电极聚酯边框定位孔的位置）分别设置下定位片定位孔、上定位片定位孔、定位框定位孔、刀模定位孔。
所述底板、定位框、压块、刀模的制成材料为不锈钢或铝；所述下定位片的制成材料为一面带粘合层的聚四氟乙烯高温布；所述上定位片的制成材料为不带粘合层的聚四氟乙烯高温布。
所需膜电极聚酯边框的外形为矩形、圆、六边形、八边形。
实施例：
所需膜电极组件的聚酯边框尺寸为200mm*100mm的长方形，且无定位孔。所需第一和第二气体扩散层的尺寸均为50mm*50mm。
根据所需，将膜电极聚酯边框的尺寸放大为260mm*100mm，并在膜电极聚酯边框的边界设置4个膜电极聚酯边框定位孔11，膜电极聚酯边框定位孔11位于聚酯边框上而非膜电极上；在底板平行地设置两条凹槽12，两条凹槽之间的间距200mm，每条凹槽深5mm，宽5mm，长120mm，在凹槽中填满聚氨酯；在刀模平行地设置两条刀片10；每条刀片的刀长110mm，刀高7.6mm，刀刃间距200mm；设置上定位片6、下定位片2的通孔为50mm*50mm，厚0.05mm；设置定位框7的通孔尺寸为52mm*52mm，厚6mm；设置压块8的尺寸为51mm*51mm，厚7mm。
具体组装过程为：在底板1的底板定位孔中插入定位销；利用前述的定位销固定下定位片2（即定位销同时插入底板定位孔和下定位片定位孔）；利用下定位片通孔固定第一气体扩散层3；再利用前述的定位销依次固定放大后的膜电极聚酯边框4（为带聚酯边框的膜电极）和上定位片6（固定销又插入膜电极聚酯边框定位孔和上定位片定位孔）；利用上定位片通孔固定第二气体扩散层5；在定位框7中心放置压块8，利用前述的定位销固定定位框（固定销又插入定位框定位孔）；利用定位销固定刀模9（固定销又插入刀模定位孔）。模具组装完毕。
将组装好的模具送入热压机，在压力的作用下，刀模下降，切断上定位片、聚酯边框、下定位片，膜电极聚酯边框被模切成为所需的尺寸（200mm*100mm），同时膜电极组件热压完毕。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落进要求保护本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种燃料电池膜电极制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（a）依据所需膜电极聚酯边框的外形确定底板凹槽形状、刀片形状，依据气体扩散层的尺寸确定下定位片通孔、上定位片通孔、定位框通孔、压块的形状；
（b）在底板插入定位销；
（c）下定位片的定位孔穿过定位销，且下定位片通过粘合层粘附在底板上；
（d）在下定位片的通孔中放置第一气体扩散层；
（e）初始膜电极聚酯边框的定位孔穿过所述的定位销，且使初始膜电极聚酯边框紧贴于第一气体扩散层；
（f）上定位片的定位孔穿过所述的定位销，且上定位片紧贴于初始膜电极聚酯边框；
（g）在上定位片的通孔中放置第二气体扩散层；
（h）定位框的定位孔穿过所述的定位销，且定位框压在上定位片上；
（i）在定位框的通孔正中心放置压块；
（j）刀模的定位孔穿过所述的定位销，此时刀片穿过定位框的通孔和压块的缝隙压在上定位片上；
（k）将上述组件整体送入热压机中热压。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极制备工艺，其特征在于，步骤（k）中，热压温度为70~180℃，热压压力为0.1~5MPa，热压时间为0.5~2min，热压完毕后取出冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极制备工艺，其特征在于，还包括步骤（l）更换上定位片，继续热压下一片初始膜电极聚酯边框。
4.一种燃料电池膜电极热压模具，其特征在于：包括底板、下定位片、上定位片、定位框、压块、可移动的刀模；
底板、下定位片、初始膜电极聚酯边框、上定位片、压块依序设置，其中压块位于定位框中心的定位框通孔内；第一气体扩散层、第二气体扩散层分别位于下定位片通孔、上定位孔通孔内；底板、下定位片、初始膜电极聚酯边框、上定位片、定位框、刀模通过定位销固定连接；
刀模为镶嵌了刀片的平板，刀模下行时，刀片穿过定位框的通孔和压块之间的缝隙压在上定位片上。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池膜电极热压模具，其特征在于：刀模下行时，刀片穿过定位框的通孔和压块之间的缝隙且刀片压在上定位片上以切断上定位片、初始膜电极聚酯边框和下定位片；刀片的刀刃的形状与所需膜电极聚酯边框的外形相同；刀片伸出刀模平板的高度比压块、上定位片、下定位片加起来的厚度大0.5~1mm。
6.根据权利要求4所述的一种燃料电池膜电极热压模具，其特征在于： 所述底板上设置凹槽；凹槽的宽度为4-10mm，凹槽的深度≥1mm；凹槽内填充聚氨酯层；所述下定位片厚度为0.05~0.2mm，在下定位片中心开设所述的下定位片通孔，下定位片通孔的形状与第一气体扩散层的形状相同；所述上定位片与下定位片形状相同；第一气体扩散层和第二扩散层形状相同。
7.根据权利要求4所述的一种燃料电池膜电极热压模具，其特征在于：所述定位框外尺寸与底板相同，在定位框中心开设定位框通孔，定位框通孔尺寸按第二气体扩散层的尺寸等比例放大2mm；所述压块的尺寸按第二气体扩散层的尺寸等比例放大1.5~1.8mm，压块厚度比定位框通孔的深度大0.5~1mm。
8.根据权利要求4所述的一种燃料电池膜电极热压模具，其特征在于： 于底板凹槽与外边缘之间设置底板定位孔；于下定位片、上定位片、定位框、刀模相同的位置分别设置下定位片定位孔、上定位片定位孔、定位框定位孔、刀模定位孔。
9.根据权利要求4所述的一种燃料电池膜电极热压模具，其特征在于：所述底板、定位框、压块、刀模的制成材料为不锈钢、铝；所述下定位片的制成材料为一面带粘合层的聚四氟乙烯布；所述上定位片的制成材料为不带粘合层的聚四氟乙烯布。
10.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极热压模具，其特征在于：所需膜电极聚酯边框的外形为矩形、圆、六边形或八边形。
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