CN1646276A - 用于切割燃料电池材料层的柔性切割模装置 - Google Patents

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Abstract

一种用台板模切割相对较薄平面材料层所用的切割装置，如构成燃料电池用的薄型材料。该切割装置包括具有基本上平的第一面和完全平的第二面的模。切面和至少一个支承面分别从所述模的第一面上凸出。所述支承面的高度基本上等于切面的高度，因此当切面和支承面移动到与台板模台的砧面接触位置时，支承面可阻止切面的损坏。一层或多层诸如聚乙烯或聚丙烯一类的柔性材料层可以安置与模的第二面接触，增加所述切割装置的柔韧性。

Description

用于切割燃料电池材料层的柔性切割模装置
发明领域
本发明一般涉及切割模，具体地说涉及用来切割诸如燃料电池材料层一类相对较薄材料层的切割模与切割台。
发明背景
已经开发出了各种切割模，用来切割各种各样材料和在其上打孔。一种切割模装置被称之为旋转切割模。旋转模一般安装在磁钢滚轮上。这些钢质滚轴为切割模提供牢固的支撑。旋转切割模顶着钢质砧辊进行切割。
另一种切割模装置称之为台板模。台板模包括一个切割模与一个砧板，它们在力的作用下轴向接触。台板模与旋转模台有许多用途。然而，常规旋转式与台板式切割模装置的固有缺点使得这些切割装置在切割厚度约0.001英寸相对较薄材料层时性能较差。
因此需要改进切割装置，使其良好适应切割诸如制作燃料电池所用的一类相对较薄的薄层材料。另外还需要改进的切割装置，它能发挥旋转式与台板式切割模装置的特点。本发明就是要满足这些以及其它的需要。
发明概述
本发明涉及一种切割装置，用台板模台切割相对较薄的平面材料层。本发明的切割装置特别适合于切割制作燃料电池用的薄层材料。根据一个实施方式，切割装置是个具有基本上平的第一面和基本上平的第二面的模。切面从所述模第一表面凸出。
切割装置还包括至少一个从所述模的第一面凸出的支承面。支承面的高度基本上等于切面高度，因此当切面和支承面移动到与台板模台的砧面接触位置时可阻止切面的损坏。一层或多层诸如聚乙烯、聚丙烯的柔性材料可以与模的第二面接触，为切割装置提高柔顺性。
根据另一实施方式，台板模组合件装有用来切割相对较薄平面材料层的切割装置。该中板模组合件包括第一板与第二板。第二平板包括一个砧面。第一板与第二板被排列成可以在其间作相对运动。
台板模组合件的模包括基本上平的第一面与基本上平的第二面。模的第二面被固定在第一板上。有个切面从模的第一面突出。至少一面支承面从模的第一面凸出。支承面的高度基本上等于切面的高度。
一个可控的致动装置引发第一板与第二板之间的接触。当切面和支承面在压力作用下移动到接触第二板的砧面时可阻止支承面对切面的损坏。一层或多层柔性材料置于模的第二面与第一板之间，为切割装置提高柔顺性。
本发明概述并不打算描述本发明的每个各实施方式或每个装置。本发明的优点和成就，连同对本发明的更完整理解将通过下面的详细描述与附图以及权利要求的显得更为清晰和明白。
附图简要说明
图1是燃料电池和它的构成材料层的说明；
图2是按照本发明一个实施方式，使用切割结构与支承座止动结构的切割模的说明；
图3是图2所示切割模的另一个视图；
图4是按照本发明一个实施方式的具有切割结构与支承座止动结构的切割模的切割模台的说明。
本发明适合于进行各种修改与变化，它们的特性将用附图中的实施例方式予以表明并加以详述。然而，可以理解，本发明并不限制所述的特定实施方式。正好相反，本发明包括所有落在本发明所附权利要求所限定的范围内的所有修改、等价内容与变化。
实施方式的详细说明
在下面说明性实施方式的描述中，可参见作为本发明一个部分的附图，通过图示，本发明的各实施方式就可以实现。可以理解，在不偏离本发明的范围内，可以利用这些实施方式并做出各种结构性改变。
本发明切割模装置可用来切割相对较薄的材料层，例如，本发明的切割模装置特别适合于切割构成燃料电池用的材料层。构成燃料电池用的材料层的厚度约为0.001英寸。这一类材料可具有各种不同孔隙率，脆性也各不相同。本领域技术人员很容易理解，准确可靠切割诸如燃料电池构成材料一类的薄型材料是极其富于挑战性的。
本发明切割模装置有效地利用了旋转切割模几个有益特点，并将这些特点用于印压机中。此外，本发明切割模装置还在切割模上带有一个或多个止动装置或支承座。内装式支承座能用来控制使用本发明切割模装置的印压机的冲程。将一个或多个止动装置或支承座装入切割模中能有利地排除在切割模外部排列制动装置的需要。这一类外部止动装置既昂贵，还要求有经验的机械师在每次更换切割模后进行仔细调整。
按照本发明一个实施方式，切割模装置的支承座的高度与切割模装置的切面的高度匹配。由于在切割模上的支承座与切面的高度是匹配的，因此，切面破损的危险性即使不能消除的话也大大下降了。
常规台板模装置往往采用诸如尼龙一类牺牲性柔软材料作为接受面(即砧面)，在切割冲程的末尾处与切割模的切面接触。尽管这种方法减少了切面不希望发生的压坏的可能性，但尼龙接受面相对柔软性使得当对厚度在0.001英寸左右的相对较薄的材料层进行切割时其支承与稳定度显得不足。
由于在切割模上支承座与切面的高度是匹配的，因此采用本发明的切割模装置的印压机的接受面或砧面可以用硬质材料，如适用于砧面的高强度金属制成。将支承座与切面一起装在本发明切割模装置上，就可以采用硬质砧面，它可用来切割非常薄的材料层，这是旋转式切割模的有利特点，是常规台板式切割模切割技术所不具备的。
按照本发明另一个实施方式，切割模装置可以在切割模装置的非切面与印压机表面之间设置一层薄的柔软材料。本领域技术人员可以清楚地理解采用某些其切面高度随切面长度而变化的切割模切割诸如厚度在0.001英寸左右的燃料电池材料层会产生问题。例如，有种切割模的切面高度变化约0.0005英寸。这种切面高度的变化大多是由于切割模制造工艺精度差造成的。按照本发明的实施方式，可对切割模装置提高一定程度的柔顺性。通过在切割模背后加上稍有柔性的支承座，就可以干净利落切割很薄材料，且切割模高度的稍许变化可以获得补偿，不会造成对切割工艺造成不利影响。而且，切割模背后的柔性材料可使得能顶着硬质砧面切割极薄材料。
本发明切割模装置可用于自动切割构成燃料电池或其一部分的材料层。燃料电池是一种将氢气燃料与空气中的氧结合而产生电、热与水的电化学装置。燃料电池不利用燃烧，因而燃料电池几乎不排放任何有害物质。燃料电池将燃料氢与氧直接转化成电，其工作效率远高于例如内燃发电机。
图1所示是一个典型的燃料电池。图1所示的燃料电池10包括邻近于负极14的第一流体输送层。邻近负极14的是一个电解质膜16。正极18位于靠近电解质膜16的位置，且第二流体输送层19位于正极18的附近。在操作中，燃料氢进入燃料电池10的负极区，经过第一流体输送层12到达负极14。在负极14上，燃料氢离解成氢离子(H+)和电子(e-)。
电解质膜16仅允许氢离子或质子通过电解质膜到达燃料电池10的正极区。电子不能通过电解质膜16，电子则流经外电路而形成电流。这种电流可以为电负载17如电动机提供能量，或直接输给如可充式电池一类的储能装置。
氧通过第二流体输送层19流入燃料电池10的正极区。当氧流到正极18时，氧、质子、与电子复合成水并产生热量。
如图1所示的各个燃料电池可以与几个其它燃料电池连成一个燃料电池堆。电池堆中燃料电池的数目决定电池堆的总电压，而各个电池的表面积决定总电流。一个给定燃料电池堆产生的总电功率由电池堆的总电压乘以总电流决定。
本发明切割模装置便于自动切割用各种技术构成燃料电池的材料层。例如，本发明切割模装置可用来切割构成质子交换膜(PEM)燃料电池的材料层。PEM燃料电池在相对较低温度下(约175°F)工作，具有较高能量密度。能迅速改变其输出，满足能量要求的变化，且能很好地适用于要求快速起动的应用场合，如汽车等。
用于PEM燃料电池的质子交换膜是一个薄塑料片，它允许氢离子通过，用很细的金属或合金颗粒(如铂或铂/钌)作活性催化剂涂覆在该膜的两面。采用的电解质通常为固体聚合物有机聚全氟磺酸，采用固定电解质是有利的，因为它省却了腐蚀与操作上的问题。
氢被送入燃料电池的负极区，在其中催化剂促使氢离子放出电子成为氢离子(质子)。电子以电流形式流动，被利用后，回到燃料电池的正极区，在此正极区引入氧气。同时，质子扩散穿过膜而到达正极，在那里氢离子与氧反应结合成水。
按照一种PEM燃料电池结构，PEM层夹在一对流体输送层(FTL)之间，如扩散集流层或气体扩散层之间。负极位于第一FTL和交换膜之间，而正极位于交换膜与第二FTL之间。在一种构型中，PEM层被制作成在其一面有负极催化剂涂层，另一面有正极催化剂涂层。根据另一种构型，第一与第二FTL层被制作成分别有负极与正极，催化剂涂层。在还有另外一个构型中，负极催化剂涂层一部分位于第一FTL层上，另一部分位于PEM的一面上，而正极催化剂涂层一部分位于第二FTL层上，另一部分位于PEM的另一面上。第一FTL/负极/PEM/正极/第二FTL这五层结构被称之为膜电极组(MEA)。
FTL通常由碳纤维纸或非织造材料制作。取决于产品的结构，FTL层的一面上可以有碳粒涂层，如上面讨论，FTL可以制作成包括或不包括催化剂涂层。按照这种产品结构，FTL为多孔且脆性的。按照本发明原理的切割模装置在自动化燃料的组装过程中，特别适合于准确切割薄的燃料电池各材料层，如PEM层与FTL层。
直接甲醇燃料电池(DMFC)类似于PEM燃料电池，这两种电池均采用聚合物膜作电解质。然而，在DMFC中，负极催化剂本身从液态甲醇燃料中得到氢，用不着燃料重整装置。DMFC通常在120-190℃温度之间工作。
熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)利用碳酸锂、钠和/或钾的溶液，这种溶液浸渍在一种基质中作电解质。MCFC在约1200°F下工作。需要这样高的工作温度为的是使电解质有足够高的电导率。因为温度高，所以不需用贵金属催化剂来启动电池的电化学氧化还原过程。MCFC一般用的是氢、CO、天然气、丙烷、陆地填埋(landfill)气、船舶柴油与人造煤气产品。
固体氧化物燃料电池(SOFC)一般采用含固体氧化锆与少量氧化钇的硬质陶瓷材料来代替液态电解质，工作温度可高达1800°F。
在再生式燃料电池中，水经太阳能电解器分解成氢气与氧气。氢与氧输入再生式燃料电池后产生电能、热与水，水被循环返回太阳能电解器，这个过程可重复进行下去。
质子陶瓷燃料电池(PCFC)采用在高温时质子传导率较高的陶瓷电解质材料。PCFC在约1300°F下工作。PCFC可以在高温度下工作，能以电化学方式在负极上将矿物燃料直接氧化。烃类燃料的气态分子在水蒸气存在条件下被吸附于负极表面，氢离子被有效地脱离并被电解质吸收，二氧化碳是主要产物。也可以构成这些与其它一些技术的燃料电池，它们的材料层用本发明切割模装置进行切割。
现在将注意力转向图2与图3，这两个图是本发明一个实施方式的切割模装置40的说明。图2与图3所示切割模装置40包括一个完全平整的模基41，模基41的顶面42上有切面44，它从顶面42突出。尽管图2与图3显示的是单切面44，但顶面42上可以有两个或多个切面44。
切面44具有一个连续刃口。按照一种构型，如图2与图3所示切面44那种情况，切面基本上呈正方形。切面44也可以呈矩形。根据另一构型，切面44可以呈椭圆形或圆形。由切面44包围的切割区域45的形状决定了由切面44切割下来的材料层的大小和形状。切面44的形状可按照意要用切割模装置40切割的材料形状进行改变。
按照其它实施方式，切面可以做成非连续刃口。例如，切面44可以包括1个或多个孔，诸如孔洞、裂口或其它非连续体。切面44可以由各种形状刃口封闭而成。通过进一步举例说明，切面44上可以包括单独一个大矩形刃口，还有几个小的圆形或椭圆形刃口。可以理解在本发明范围内可以预期有各种各样切面构型。
切面44最好与切割模装置40的顶面42形成一个整体。或者，切面44可以单独形成，随后采用已知技术安装在顶面42上。切面44相对于模基背面的高度最好为0.02-0.08英寸。
在图2与图3所示构型中，正方形连续切面44的两个对边之间距离为6英寸。切割模装置的长度约为15英寸，宽度约为15英寸；按照此构型，切割模装置40的最大厚度是切割模模基41的厚度加上切面厚度44，约为0.04英寸。可以理解，上面引用的尺寸仅作说明之用，并不限于此尺寸。
切割模装置40还包括1个或多个支承座或止动装置46。支承座46被显示从切割模装置40的顶面42凸出。一个或多个定位装置48如定位孔位于一个或多个支承座上。定位装置48用来准确对齐切割模装置与印压机所采用的砧面。可以理解，如本领域所知，也可以采用定位孔以外的定位装置48。而且可以理解定位装置48不一定位于支承座46上，它可以处于切割模装置40上的其它位置。
支承座46最好连同切割模装置40的顶面42一起成形。或者，支承座46可以另外成形，随后安装到顶面42上。各支承装置46相对于模基41的背面的高度较佳在0.02-0.08英寸之间。
如图2与图3的实施方式所示，模基41包括第一、第二第、三和第四边61、62、63、64，其中第一边61与第二边62分别对着第三边63与第四边64。切面44包括第一、第二、第三和第四刃口51、52、53、54，其中第一与第二刃口62分别对着第三刃口63与第四刃口64。第一支承座46a位于模基41的第一边61与第一刃口51之间，而第二支承座46b位于模基41的第三边63与切面44的第三刃口53之间。
取而代之或添加的是第三支承座(未显示)可位于模基41的第二边62与第二刃口52之间，而第四支承座(未显示)位于模基41的第四边64与切面44的第四刃口54之间。顶面42上一个或多个支承座46的位置可以有变化，视需要与要求而定。
包括切面44与一个或多个支承座46的切割模装置最好由高强度材料或金属，如硬化钢(如弹簧钢)制成。切面44可经过淬火处理，使其硬度大于模基41和/或支承座46的硬度。
如前面所讨论的，各支承座46相对模基41背面的高度基本上等于切面44的高度。在一个特定用途中，支承座46与切面的高度在0.02-0.08英寸，约0.04英寸为特别适用的高度。
通过在模基41的背面与印压机表面之间加上一层薄的柔性材料使得刀模装置40带有柔韧性。可采用一层、二层或多层柔性材料。柔性材料最好由聚合物材料，如聚乙烯或聚丙烯形成。每一层柔性材料的厚度最好在0.002-0.008英寸之间。
现在来看图4，它说明装有本发明切割模装置40的印压机50的一个实施方式。由于本发明切割模装置装有一个或多个支承座或止动装置46，因此不需要在印压机上安装昂贵的外部冲程止动装置，而这一类止动装置在每次更换切割模时都需要有经验的机械师对它的止动进行仔细调整。
图4所示的印压机50包括基板52，其上附有数个支柱60，连在支柱60上还有顶板54。基板与顶板52、54通常为固定结构。滑板56以滑动方式与支柱接合，能在基板与顶板52、54之间滑动。滑板56的移动受安装在顶板54上的致动装置58控制。致动装置58通常是个气动或液压的致动装置，能控制使滑板56朝向或离开基板52而运动。致动装置58由合适的控制装置控制。
印压机50的基板54有个砧面65。如前所述，砧面65由硬质材料，如硬化金属制成。在要切割极薄材料时。理想的是在切割模装置40的背面与滑板56邻近的支撑面之间有一层或多层柔性衬垫49。在一种用途中，在切割模装置40背面与滑板56的邻近支撑面之间有二层柔性材料衬垫49，每层厚度为0.004-0.006英寸。
在操作中，要被切割的薄层材料合适地置于基板52的砧面65上。一个控制信号，可以是液压、气动或电信号通到致动装置58上。响应此控制信号，致动装置58推动滑板56和切割模装置40朝砧面65移动。当切割模装置40与搁在或以其他方式(如直空)固定在砧面65上的材料层接触时，由致动装置58产生的力引起切割模装置40的切面44切穿材料层。
滑板56在致动装置58产生的力的作用下，继续朝砧面65移动直至支承座46接触到该砧面65时为止。由于支承座46的高度与切面44的高度基本上相同，因此切面44稍一接触砧面65就完成了对材料的切割动作，而因支承座46与砧面65之间接触，阻止了切面进一步朝砧面移动，因而避免了切面44的损坏。
材料被切割以后，一个控制信号通知致动装置58，将滑板56退回到与砧面65分离的位置。然后自动或手动从砧面65上取出被切割下来的材料层。可重复上述切割过程进行材料切割。
上面所述本发明各实施方式仅为叙述性的，它不是全部，也不打算将本发明限制于这里所述的具体实施方式。上述内容可以有许多修改与变化。并要将本发明的范围限制于这些详细描述，而是受这里所附的权利要求的限定。

Claims (37)

1.一种用台板模切割相对较薄平面材料层所用的切割装置，该装置包括：
具有基本上平的第一面和基本上平的第二面的模；
从模的第一面凸出的切面；
至少一个从模的第一面凸出的支承面，所述支承面的高度基本上等于切面的高度，因此当切面和支承面移动到与台板模的砧面接触位置时，所述支承面可阻止切面的损坏。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，一个支承面从模的第一面凸出。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一支承面靠近切面的第一边，而第二支承面靠近切面的第二边。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模包括第一、第二、第三和第四边，第一和第二边分别对着模的第三与第四边，第一支承面靠近模的第一边，而第二支承面靠近模的第三边。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，第三支承面靠近模的第三边，而第四支承面靠近模的第四边。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述切面有连续的刃口。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述切面有非连续的刃口。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述切面基本上正方形或矩形。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述切面基本上呈圆形。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述切面包括一个外刃口和一个或多个分别位于外刃口之内的内刃口。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述切面与模形成一个整体。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模、切面和至少一个支承面分别用高强度金属制成。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个支承面有个定位装置，所述定位装置位于至少一个支承面上，与台板模上的定位装置对齐。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述定位装置包括至少一个定位孔。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支承面和切面的高度分别在0.02和0.08英寸之间。
16.如权利要求1所述的装置，它还包括与模的第二面接触的一层或多层柔性材料层。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述柔性材料是聚合物材料。
18.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述柔性材料是聚乙烯或聚丙烯。
19.如权利要求16所述的装置，其特征在于，每层柔性材料层的厚度为0.002-0.008英寸。
20.切割相对较薄平面材料层用的台板模组合件，包括：
第一板与第二板，第二板包括砧面，第一板与第二板排列成可以在其间作相对运动；
具有基本上平的第一面和基本上平的第二面的模，所述模的第二面固定在第一板上；
从所述模第一面凸出的切面；
从所述模第一面凸出的至少一个支承面，所述支承面的高度基本上等于所述切面的高度；
实现第一和第二板之间接触的致动装置，当切面与支承面在压力作用下移动到与第二板的砧面接触位置时，支承面可以阻止切面的损坏。
21.如权利要求20所述的台板模组合件，其特征在于，一个支承面从所述模的第一面凸出。
22.如权利要求20所述的台板模组合件，其特征在于，第一支承面靠近切面的第一边，而第二支承面靠近切面的第二边。
23.如权利要求20所述的台板模组合件，其特征在于，所述模包括第一、第二、第三和第四边，第一和第二边分别对着模的第三与第四边，第一支承面靠近模的第一边，而第二支承面靠近模的第三边。
24.如权利要求23所述的台板模组合件，其特征在于，第三支承面靠近模的第三边，而第四支承面靠近模的第四边。
25.如权利要求20所述的台板模组合件，其特征在于，所述切面具有连续的刃口。
26.如权利要求20所述的台板模组合件，其特征在于，所述切面具有非连续的刃口。
27.如权利要求20所述的台板模组合件，其特征在于，所述切面基本上呈正方形或矩形。
28.如权利要求20所述的台板模组合件，其特征在于，所述切面基本上呈椭圆形或圆形。
29.如权利要求20所述的台板模组合件，其特征在于，所述切面具有外刃口和一个或多个分别位于外刃口之内的内刃口。
30.如权利要求20所述的台板模组合件，其特征在于，所述切面与模形成一个整体。
31.如权利要求20所述的台板模组合件，其特征在于，所述模、切面和至少一个支承面分别用硬化金属制成。
32.如权利要求20所述的台板模组合件，其特征在于，至少一个支承面包括一个定位装置，所述定位装置位于至少一个支承面上，与第二板上的定位装置对齐。
33.如权利要求20所述的台板模组合件，其特征在于，所述支承面和切面的高度在0.02和0.08英寸之间。
34.如权利要求20所述的台板模组合件，它还包括位于模的第二面和第一板之间的一层或多层柔性材料层。
35.如权利要求34所述的台板模组合件，其特征在于，所述柔性材料是聚合物材料。
36.如权利要求34所述的台板模组合件，其特征在于，所述柔性材料是聚乙烯或聚丙烯。
37.如权利要求34所述的台板模组合件，其特征在于，每层柔性材料层的厚度为0.002-0.008英寸。
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