[发明专利]燃料电池膜电极制备夹具及其加工工艺

说明书

技术领域

本发明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，及其加工工艺。

背景技术

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。

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℃～150℃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。

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：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；

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。

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。

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。