燃料电池膜电极制备夹具的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种燃料电池膜电极制备夹具，包含喷涂夹具和热压夹具，由金属上框、金属下框、长尾夹，构成通用组件；通用组件与吸气底盘、铺膜底盘、喷涂掩板组合后构成喷涂夹具，可同时用于正面喷涂和反面喷涂；通用组件与偶数个热压垫块、热压组装垫板、两个热压定位板、热压上盖板、热压下盖板、热压限厚块组合后构成热压夹具。本实用新型实现了正面喷涂夹具、反面喷涂夹具和热压夹具的联用，避免了膜电极制备各工艺中因更换夹具所导致的质子交换膜的反复拆装，进而避免了膜电极中质子交换膜的褶皱、位置偏移、污染甚至破损，提高了膜电极产品的成品率，节约了夹具组装时间、工作量。
【专利说明】燃料电池膜电极制备夹具
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及燃料电池【技术领域】，尤其是一种燃料电池膜电极制备夹具。
【背景技术】
[0002]膜电极制备技术是直接影响燃料电池性能的技术，然而膜电极规模化制造的难度较大，主要是因为膜电极中的质子交换膜非常特殊，首先它很薄，通常只有十几微米到几十微米之间，机械强度不高；其次质子交换膜对环境湿度、温度非常敏感，暴露在空气中会快速吸水，导致膜的尺寸显著胀大、褶皱，温度升高会快速脱水，导致膜尺寸大幅收缩、厚度变化。质子交换膜对水、醇也很敏感，接触水或醇，会导致膜尺寸的显著胀大、褶皱。
[0003]然而，在整个膜电极制造工艺中，对质子交换膜的平整度、厚度均一的要求很高，要求自始至终都是平整的。但在膜电极制造过程中，在质子交换膜的正反两面均匀涂覆催化剂溶液、用高温蒸发催化剂溶剂、热压扩散层或阴阳极和边框材料等制造工艺中，不可避免地需要与空气、水、醇接触，且多次受到90°C?150°C高温和常温之间的变换，还要经受热压机中温度和压力的双重考验。
[0004]因此，膜电极制备中所用的夹具相当关键，完全依靠它来支撑质子交换膜，直至完成膜电极的制备。在现有技术中，通常会针对各个工序分别设计专用的夹具来夹装，如喷涂催化剂时用喷涂夹具，到了热压膜电极工艺时则换用热压夹具。各个工序的夹具则一般会被设计成用螺栓或定位销来定位，用上下两个平板或平整的外框来夹住中间的质子交换膜。然而，质子交换膜很薄，在空气中拆装时还会吸水、会褶皱，尺寸变化会很大，定位孔间距会偏移，靠螺孔来定位的重复性很差。螺栓夹持的受力不均，在膜受热收缩时容易造成褶皱。另外，夹具中螺栓设计过多，还会造成制造中拆装螺丝的工作量太大。另外，膜的机械强度又不高，反复拆装时易损坏，在空气中吸水变形后也非常难以铺平，还很容易沾尘受污染。
[0005]如现有技术中的专利申请号201210490779.0，仅设计了膜电极的热压夹具，即用热压夹具中的上下盖框及螺栓重新定位好质子交换膜、阴阳极和边框材料，再放入热压机进行热压。
[0006]专利申请号201220568933.7，从实施例可以看出，仅设计了膜电极的喷涂夹具，虽然在膜电极夹具中加入了防滑缓冲垫，但仍然使用了螺孔来定位，无法解决质子交换膜膜暴露在空气中吸水或受热，导致的定位孔尺寸偏移、铺膜无法平整的问题。且规模化生产中，12颗螺丝的拆装工作量较大，而且反复拆装容易磨损夹具的螺纹。
[0007]专利申请号2010557659.9，设计了膜电极的热压夹具，该设计必须涂覆脱模剂，否则无法脱模，但这会污染膜电极。而且膜电极在热压时容易掉落碳纤维渣，每次热压都需要仔细清理凹槽，否则影响热压平整度。该设计仅利用膜电极外框来定位，没有考虑在膜电极的三明治结构中，质子交换膜、扩散层或阴阳极通常尺寸会比边框材料尺寸略小，这种情况下该设计非常难以定位。仅适用于小规模制备，在大批量生产中无法应用。
[0008]专利申请号201310067915.X及申请号201110427036.4，各设计了一种热压夹具，此夹具靠螺丝施压，仅需加热即可完成热压。但为了保证平整度，必须将夹具设计得很厚，加热时传热很困难，对拧螺丝的力度要求也很高，反复使用螺杆或螺纹易磨损，仅适用于小规模制备，在大批量生产中无法应用。
实用新型内容
[0009]本实用新型针对现有技术的不足，提出一种燃料电池膜电极制备夹具，提高了膜电极产品的成品率，节约了夹具组装时间、工作量。
[0010]为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供以下技术方案:一种燃料电池膜电极制备夹具，包含喷涂夹具和热压夹具，所述喷涂夹具由第一金属上框、第一金属下框、第一长尾夹、吸气底盘和喷涂掩板构成，所述第一金属上框与所述第一金属下框重叠设置，所述第一长尾夹夹持在两者边缘；所述喷涂掩板设在所述第一金属上框上方，所述吸气底盘设在所述第一金属下框的下方；
[0011]所述热压夹具由第二金属上框、第二金属下框、第二长尾夹、偶数个热压垫块、两个热压定位板、热压上盖板、热压下盖板和热压限厚块构成；所述第二金属上框与所述第二金属下框重叠设置，所述第二长尾夹夹持在两者边缘；所述热压下盖板经一个所述热压定位板设在所述第二金属上框上方，所述热压上盖板经另一所述热压定位板设在所述第二金属下框的下方；所述热压垫块设在所述热压定位板四周；所述热压限厚块设在下方的所述热压定位板的外围。
[0012]进一步地，所述金属上框和所述金属下框的厚度一致，在两者的对应位置上各设有8?16个凹槽，该凹槽用于相应的长尾夹来夹持，长尾夹的两把手间距小于两者的总厚度。
[0013]进一步地，所述吸气底盘的长宽小于金属上框或金属下框的内框尺寸，厚度与金属上框或金属下框的厚度相同。
[0014]进一步地，所述喷涂掩板为十字形板、丰字形板或井字形板。
[0015]进一步地，所述热压上盖板或所述热压下盖板由金属平板和六颗内六角螺丝构成，该内六角螺丝固定在该金属平板上。
[0016]进一步地，所述热压限厚块为L形板。
[0017]进一步地，所述热压定位板为十字形平板、丰字形板或井字形板；所述热压定位板与一半数量的所述热压垫块组合成一个矩形。
[0018]与现有技术相比，本实用新型具有以下优点:本实用新型实现了正面喷涂夹具、反面喷涂夹具和热压夹具的联用，避免了膜电极制备各工艺中因更换夹具所导致的质子交换膜的反复拆装，进而避免了膜电极中质子交换膜的褶皱、位置偏移、污染甚至破损，提高了膜电极产品的成品率，节约了夹具组装时间、工作量。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型喷涂夹具的整体爆炸结构示意图；
[0020]图2为本实用新型热压夹具的整体爆炸结构示意图。
【具体实施方式】[0021]下面结合附图对本实用新型进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本实用新型的保护范围有任何的限制作用。
[0022]如图1和2所示的一种燃料电池膜电极制备夹具，包含以下组件:金属上框2、金属下框4、吸气底盘5、铺膜底盘6、喷涂掩板1、2?20个热压垫块8、热压组装垫板9、2个热压定位板10和13、热压上盖板11、热压下盖板7、2?4个热压限厚块12、8?16个长尾夹3 ;
[0023]其中，由金属上框2、金属下框4、8?16个长尾夹3，金属上框2与金属下框4重叠设置，长尾夹3夹持在两者边缘，构成通用组件；
[0024]通用组件与吸气底盘5、铺膜底盘6、喷涂掩板I组合:喷涂掩板I设在通用组件上方，吸气底盘5设在通用组件下方，整体构成了喷涂夹具；
[0025]通用组件与2?20个热压垫块8、热压组装垫板9、2个热压定位板10和13、热压上盖板11、热压下盖板7、热压限厚块12组合:热压下盖板7经热压定位板10设在通用组件上方，热压上盖板11经另一热压定位板13设在通用组件下方；热压垫块8设在热压定位板10和13的四周；热压限厚块12设在热压定位板13的外围，整体构成了热压夹具。
[0026]其中，金属上框2和金属下框3厚度一致，在金属上框2和金属下框3的对应位置上各有8?16个凹槽，凹槽用于长尾夹3夹持金属上框2和金属下框4，夹持后单个长尾夹3的两把手间距小于金属上框2和金属下框4的总厚度；在金属上框2的下侧和金属下框4的上侧，均粘附有一层平滑的硅胶垫；金属下框有2个定位销，其中I个定位销用于辅助质子交换膜平铺时的定位；金属上框有2个定位孔，配合金属下框的2个定位销使用；
[0027]其中，铺膜底盘6的长宽尺寸略小于金属上框2、金属下框4的内框尺寸，厚度尺寸与金属上框2或金属下框4的厚度一致；
[0028]吸气底盘5，尺寸同铺膜底盘6，侧面四边不透气，上下表面及内部均为多孔透气结构，多孔金属(如多孔铝板、多孔不锈钢板、泡沫铝、泡沫镍等)或多孔石墨材质。
[0029]喷涂掩板，具体为十字形或丰字形或其它格子，中部有把手，依据膜电极的外形及
产量需求制定。
[0030]其中，喷涂夹具的组装步骤:
[0031]1、将金属下框与铺膜底盘组合为一个平板
[0032]2、质子交换膜铺于平板上方，靠金属下框的I个定位销和3个边角来辅助定位；
[0033]3、盖上金属上框、夹持长尾夹，形成框膜组件；
[0034]4、将上述框膜组件组合于铺膜底盘上，该铺膜底盘一直被固定在喷涂仪的加热吸气底盘上，铺膜底盘的长宽尺寸略小于金属下框的内框尺寸，厚度尺寸与金属下框的厚度
一致；
[0035]5、将喷涂掩板放置于金属上框的框中，形成正面喷涂夹具；
[0036]6、第一面喷涂完毕，取出喷涂掩板，将框膜组件翻面，金属上框朝下，再与铺膜底盘组合，放置喷涂掩板，形成反面喷涂夹具；
[0037]其中，热压夹具的组装步骤:
[0038]1、将热压组装垫板放置在热压下盖板上；
[0039]2、将框膜组件与热压组装垫板组合；
[0040]3、放置热压定位板于框膜组件中；[0041]4、向热压定位板中放入扩散层或电极片、一半数量的热压垫块；
[0042]5、盖上热压上盖板，夹持热压下盖板和热压上盖板，翻面，热压上盖板朝下；
[0043]6、移除热压下盖板、热压组装垫板，安装热压定位板；
[0044]7、向热压定位板I中放入扩散层或电极片、另一半数量的热压垫块；
[0045]8、安放热压限厚块；
[0046]9、盖上热压下盖板，即形成热压夹具。
[0047]本实用新型用长尾夹代替了螺栓对夹具进行夹持，也避免了螺纹的磨损、质子交换膜定位偏移、组装时的费时费劲，从而提高了夹具的重复使用寿命、节约了夹具组装时间、工作量。
[0048]本实用新型组装快速、夹具各组件外形简单易于加工、反复使用寿命高、产品定位精度高，适合大规模批量制备燃料电池膜电极。
【权利要求】
1.一种燃料电池膜电极制备夹具，包含喷涂夹具和热压夹具，其特征在于:所述喷涂夹具由第一金属上框、第一金属下框、第一长尾夹、吸气底盘和喷涂掩板构成，所述第一金属上框与所述第一金属下框重叠设置，所述第一长尾夹夹持在两者边缘；所述喷涂掩板设在所述第一金属上框上方，所述吸气底盘设在所述第一金属下框的下方； 所述热压夹具由第二金属上框、第二金属下框、第二长尾夹、偶数个热压垫块、两个热压定位板、热压上盖板、热压下盖板和热压限厚块构成；所述第二金属上框与所述第二金属下框重叠设置，所述第二长尾夹夹持在两者边缘；所述热压下盖板经一个所述热压定位板设在所述第二金属上框上方，所述热压上盖板经另一所述热压定位板设在所述第二金属下框的下方；所述热压垫块设在所述热压定位板四周；所述热压限厚块设在下方的所述热压定位板的外围。
2.如权利要求1所述燃料电池膜电极制备夹具，其特征在于:所述金属上框和所述金属下框的厚度一致，在两者的对应位置上各设有8?16个凹槽，该凹槽用于相应的长尾夹来夹持，长尾夹的两把手间距小于两者的总厚度。
3.如权利要求2所述燃料电池膜电极制备夹具，其特征在于:所述吸气底盘的长宽小于金属上框或金属下框的内框尺寸，厚度与金属上框或金属下框的厚度相同。
4.如权利要求1所述燃料电池膜电极制备夹具，其特征在于:所述喷涂掩板为十字形板、丰字形板或井字形板。
5.如权利要求1所述燃料电池膜电极制备夹具，其特征在于:所述热压上盖板或所述热压下盖板由金属平板和六颗内六角螺丝构成，该内六角螺丝固定在该金属平板上。
6.如权利要求1所述燃料电池膜电极制备夹具，其特征在于:所述热压限厚块为L形板。
7.如权利要求1所述燃料电池膜电极制备夹具，其特征在于:所述热压定位板为十字形平板、丰字形板或井字形板；所述热压定位板与一半数量的所述热压垫块组合成一个矩形。
【文档编号】B25B11/00GK203674317SQ201420033241
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】黄林, 顾军, 陈佳, 张峰, 邹志刚 申请人:南京大学昆山创新研究院