燃料电池膜电极贴合装置及贴合方法与流程

本发明涉及燃料电池领域，特别地，涉及一种燃料电池膜电极贴合装置。此外，本发明还涉及一种利用上述燃料电池膜电极贴合装置贴合膜电极的燃料电池膜电极贴合方法。

背景技术：

氢燃料电池通过氢燃料和氧化剂发生电化学反应而产生电能，其最核心的部件为膜电极。膜电极包括两层碳纸、两层边框膜及涂有催化剂层的质子交换膜。

燃料电池发生电化学反应时，质子交换膜是质子渗透膜，它是绝缘的，通过这个绝缘膜运输质子从阳极向阴极，电子则从导电的路径运输到阴极。由于阴极和阳极的氢气和氧气严禁互窜，因此膜电极的密封效果就尤为重要，两层边框膜之间不得有气泡夹杂。

质子交换膜上涂有的催化剂需要以铂为原料，因此价格极为高昂，为了节约成本，边框膜与质子交换膜的贴合区域越少越好，避免浪费。而当贴合区域减少时，则需要提高贴合精度，以避免膜电极贴合失效。

技术实现要素：

本发明提供了一种燃料电池膜电极贴合装置及贴合方法，以解决现有贴合后的膜电极边框膜与质子交换膜之间定位精度低、进而使膜电极贴合精度低、膜电极贴合易失效的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种燃料电池膜电极贴合装置，贴合后的膜电极包括相对设置的上边框膜和下边框膜，及贴紧于上边框膜和下边框膜之间的交换膜，贴合装置包括：用于安装下边框膜的下模座，下模座上连接有用于对下边框膜在下模座上的安装位置进行定位的第一定位构件；贴合装置还包括用于定位涂覆有催化剂的交换膜并将交换膜贴合至下边框膜上的夹具，夹具通过第一定位构件定位于下模座上且活动连接于第一定位构件上，以使吸附于其上的交换膜定位贴合至下边框膜的上表面上，下模座还连接有用于真空吸附交换膜的真空吸附装置，以防夹具脱离下模座的过程中扰动交换膜；下模座的上方设有用于安装上边框膜的上模座，上模座上连接有用于对上边框膜在上模座上的安装位置进行定位的第二定位构件，第二定位构件在上模座与下模座合模过程中和上边框膜贴合至交换膜上表面的过程中抵接第一定位构件，以使上边框膜相对交换膜进行定位。

进一步地，下模座的顶部设有用于与下边框膜贴合以支承下边框膜的下支承面；下模座内设有若干与下支承面连通的第一吸附孔，第一吸附孔与真空吸附装置相连，以在夹具脱离下模座过程中和上模座与下模座合模过程中真空吸附交换膜。

进一步地，下模座包括下安装板、固定连接于下安装板上的下安装模；下安装模的顶部即为下支承面；第一吸附孔位于下安装模上，下安装模内还设有第一真空腔，第一真空腔同时连通第一吸附孔和真空吸附装置。

进一步地，下模座上设有第一安装通道；第一定位构件沿第一安装通道的轴向设置于第一安装通道中，且第一定位构件的自由端伸出第一安装通道并用于与下边框膜上的安装孔配合，以对下边框膜在下模座上的安装位置进行定位。

进一步地，夹具的底部设有用于与交换膜贴合以安装交换膜的第一安装面；夹具内设有若干与第一安装面连通的第二吸附孔，第二吸附孔与真空吸附装置相连，以吸附交换膜并使交换膜紧贴在第一安装面上；夹具上还设有定位孔，定位孔用于穿射于第一定位构件上，以使夹具相对下模座的位置进行定位。

进一步地，上模座的底部设有用于与上边框膜贴合以安装上边框膜的第二安装面；上模座内设有若干与第二安装面连通的第三吸附孔，第三吸附孔与真空吸附装置相连，以吸附上边框膜并使上边框膜紧贴在第二安装面上。

进一步地，上模座包括上安装板、固定连接于上安装板上的上安装模；上安装模的底部即为第二安装面；第三吸附孔位于上安装模上，上安装模内还设有第三真空腔，第三真空腔同时连通第三吸附孔和真空吸附装置。

进一步地，第二安装面为水平面；或者上安装模为在外力作用下可产生形变的塑性材料制备而成的塑性件，且第二安装面为与交换膜呈3°～5°夹角的斜面。

进一步地，上模座上设有第二安装通道；第二定位构件沿第二安装通道的轴向设置于第二安装通道中，且第二定位构件的自由端伸出第二安装通道并用于与上边框膜上的安装孔配合，以对上边框膜在上模座上的安装位置进行定位。

进一步地，燃料电池膜电极贴合装置还包括设置于下模座内的加热构件，加热构件用于对贴合后的上边框膜、下边框膜和交换膜进行加热，以使上边框膜、下边框膜和交换膜三者贴合成膜电极。

根据本发明的另一方面，还提供了一种燃料电池膜电极贴合方法，采用如上述任一项的燃料电池膜电极贴合装置进行贴合操作，包括以下步骤：将下边框膜安装至下模座上，并通过第一定位构件定位下边框膜；夹具定位吸附涂覆有催化剂的交换膜后，通过第一定位构件将夹具定位于下模座上、以使吸附于夹具上的交换膜定位贴合至下边框膜的上表面；启动真空吸附装置吸紧交换膜后，将夹具从下模座上脱离；将上边框膜安装至上模座上，并通过第二定位构件定位上边框膜；将上模座与下模座合模，合模过程中通过第二定位构件抵接第一定位构件并使上边框膜相对交换膜进行定位。

本发明具有以下有益效果：

本发明的燃料电池膜电极贴合装置中，包括用于安装下边框膜的下模座，且下边框膜通过第一定位构件相对下模座定位；还包括用于定位吸取交换膜的夹具，吸附有交换膜的夹具在外接转运机构的作用下移至下模座的上方，且夹具通过第一定位构件定位连接于下模座上，进而使吸附于夹具上的交换膜贴合至下边框膜的上表面上且相对下边框膜定位；还包括用于安装上边框膜的上模座，且上边框膜通过第二定位构件相对上模座定位，并且上模座与下模座合模使上边框膜贴合至交换膜上表面的过程中，第二定位构件抵接第一定位构件以对上边框膜相对交换膜进行定位，从而下边框膜相对下模座定位、交换膜相对下边框膜定位、上边框膜相对上模座和交换膜分别定位，进而提高边框膜与交换膜之间的定位精度，使膜电极的贴合精度高、不易贴合失效，并可减少膜电极的贴合区域，进而降低燃料电池的成本；另外，由于交换膜厚度薄且材质软，厚度一般为1mm～2mm，为防止夹具脱离下模座过程中产生的气流扰动交换膜，使定位贴合在下边框膜上的交换膜移位，本发明中，下模座还连接有用于真空吸附交换膜的真空吸附装置，真空吸附装置用于吸紧交换膜，以防夹具脱离下模座的过程中扰动交换膜。

本发明的燃料电池膜电极贴合方法中，由于采用了本发明的燃料电池膜电极贴合装置进行贴合操作，故而实现下边框膜相对下模座定位、交换膜相对下边框膜定位、上边框膜相对上模座和交换膜分别定位，进而提高膜电极的贴合精度，减少膜电极的贴合区域，最终降低燃料电池的成本。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的燃料电池膜电极贴合装置合模后的结构示意图；

图2是图1中燃料电池膜电极贴合装置合模前的结构示意图；

图3为上边框膜和下边框膜与交换膜贴合尺寸及公差示意图。

图例说明

11、上边框膜；12、下边框膜；13、交换膜；20、下模座；201、下支承面；202、第一吸附孔；203、第一真空腔；21、下安装板；22、下安装模；30、第一定位构件；40、夹具；401、第一安装面；402、第二吸附孔；50、上模座；501、第二安装面；502、第三吸附孔；503、第三真空腔；51、上安装板；52、上安装模；60、第二定位构件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图1和图2，本发明的优选实施例提供了一种燃料电池膜电极贴合装置，贴合后的膜电极包括相对设置的上边框膜11和下边框膜12，及贴紧于上边框膜11和下边框膜12之间的交换膜13，贴合装置包括：用于安装下边框膜12的下模座20，下模座20上连接有用于对下边框膜12在下模座20上的安装位置进行定位的第一定位构件30。贴合装置还包括用于定位涂覆有催化剂的交换膜13并将交换膜13贴合至下边框膜12上的夹具40，夹具40通过第一定位构件30定位于下模座20上且活动连接于第一定位构件30上，以使吸附于其上的交换膜13定位贴合至下边框膜12的上表面上，下模座20还连接有用于真空吸附交换膜13的真空吸附装置，以防夹具40脱离下模座20的过程中扰动交换膜13。下模座20的上方设有用于安装上边框膜11的上模座50，上模座50上连接有用于对上边框膜11在上模座50上的安装位置进行定位的第二定位构件60，第二定位构件60在上模座50与下模座20合模过程中和上边框膜11贴合至交换膜13上表面的过程中抵接第一定位构件30，以使上边框膜11相对交换膜13进行定位。

本发明的燃料电池膜电极贴合装置中，包括用于安装下边框膜12的下模座20，且下边框膜12通过第一定位构件30相对下模座20定位；还包括用于定位吸取交换膜13的夹具40，吸附有交换膜13的夹具40在外接转运机构(本发明中指搬运机器人)的作用下移至下模座20的上方，且夹具40通过第一定位构件30定位连接于下模座20上，进而使吸附于夹具40上的交换膜13贴合至下边框膜12的上表面上且相对下边框膜12定位；还包括用于安装上边框膜11的上模座50，且上边框膜11通过第二定位构件60相对上模座50定位，并且上模座50与下模座20合模使上边框膜11贴合至交换膜13上表面的过程中，第二定位构件60抵接第一定位构件30以对上边框膜11相对交换膜13进行定位，从而下边框膜12相对下模座20定位、交换膜13相对下边框膜12定位、上边框膜11相对上模座50和交换膜13分别定位，进而提高边框膜与交换膜之间的定位精度，使膜电极的贴合精度高、不易贴合失效，并可减少膜电极的贴合区域，进而降低燃料电池的成本；另外，由于交换膜13厚度薄且材质软，厚度一般为1mm～2mm，为防止夹具40脱离下模座20过程中产生的气流扰动交换膜13，使定位贴合在下边框膜12上的交换膜13移位，本发明中，下模座20还连接有用于真空吸附交换膜13的真空吸附装置，真空吸附装置用于吸紧交换膜13，以防夹具40脱离下模座20的过程中扰动交换膜13。

本发明中，为了保证三层膜电极的密封效果，同时为了节约成本，设定上边框膜11和下边框膜12与交换膜13(指质子交换膜)的贴合区域为2mm，公差为±0.2mm，如图3所示，本发明中，通过对下边框膜12相对下模座20定位、交换膜13相对下边框膜12定位、上边框膜11相对上模座50和交换膜13分别定位，进而提高上边框膜11、下边框膜12及交换膜13三者间的定位精度，满足贴合区域为2mm，公差为±0.2mm的贴合重合度要求。

可选地，如图2所示，下模座20的顶部设有用于与下边框膜12贴合以支承下边框膜12的下支承面201。下模座20内设有若干与下支承面201连通的第一吸附孔202，第一吸附孔202与真空吸附装置相连，以在夹具40脱离下模座20过程中和上模座50与下模座20合模过程中真空吸附交换膜13。本可选方案中，由于交换膜13厚度薄且材质软，厚度一般为1mm～2mm，为防止上模座50与下模座20合模过程中产生的气流扰动交换膜13，使定位贴合在下边框膜12上的交换膜13移位，本发明中，下模座20还连接有用于真空吸附交换膜13的真空吸附装置，真空吸附装置用于吸紧交换膜13，以防上模座50与下模座20合模过程中扰动交换膜13。

本可选方案的具体实施例中，下模座20包括下安装板21、固定连接于下安装板21上的下安装模22。下安装模22的顶部即为下支承面201。第一吸附孔202位于下安装模22上，下安装模22内还设有第一真空腔203，第一真空腔203同时连通第一吸附孔202和真空吸附装置。下安装模22呈一端开口的盖状，其开口端与下安装板21相连，且下安装模22的开口构成第一真空腔203。下安装模22的该种结构不仅便于加工，且可减轻下模座20的重量。

可选地，如图2所示，下模座20上设有第一安装通道。第一定位构件30沿第一安装通道的轴向设置于第一安装通道中，且第一定位构件30的自由端伸出第一安装通道并用于与下边框膜12上的安装孔配合，以对下边框膜12在下模座20上的安装位置进行定位。本可选方案的第一具体实施例，第一安装通道两端贯通，第一定位构件30包括沿第一安装通道的轴向滑动插设于第一安装通道中的第一定位销，第一定位销的自由端伸出第一安装通道，第一定位销的底端连接有用于提供沿轴向弹性力的第一弹簧件，第一弹簧件的底端与下安装板21固定连接。本可选方案的第二具体实施例，与第一具体实施例不同的是，第一定位构件30包括沿第一安装通道的轴向插设于第一安装通道中的第一定位销，第一定位销的自由端伸出第一安装通道，第一定位销的底端与下安装板21固定连接。

可选地，如图2所示，夹具40的底部设有用于与交换膜13贴合以安装交换膜13的第一安装面401。夹具40内设有若干与第一安装面401连通的第二吸附孔402，第二吸附孔402与真空吸附装置相连，以吸附交换膜13并使交换膜13紧贴在第一安装面401上。夹具40上还设有定位孔，定位孔用于穿射于第一定位构件30上，以使夹具40相对下模座20的位置进行定位，进而提高交换膜13相对于下边框膜12的定位精度。本可选方案的具体实施例中，如图2所示，夹具40内还设有第二真空腔，第二真空腔同时与第二吸附孔402和真空吸附装置连通。夹具40还包括沿其长度方向相对设置的两个凸耳，各凸耳上设有定位孔，夹具40通过凸耳上的定位孔穿射于第一定位构件30上，以对夹具40相对下模座20的位置进行定位。

可选地，如图2所示，上模座50的底部设有用于与上边框膜11贴合以安装上边框膜11的第二安装面501。上模座50内设有若干与第二安装面501连通的第三吸附孔502，第三吸附孔502与真空吸附装置相连，以吸附上边框膜11并使上边框膜11紧贴在第二安装面501上。

本可选方案的具体实施例中，上模座50包括上安装板51、固定连接于上安装板51上的上安装模52。上安装模52的底部即为第二安装面501。第三吸附孔502位于上安装模52上，上安装模52内还设有第三真空腔503，第三真空腔503同时连通第三吸附孔502和真空吸附装置。上安装模52呈一端开口的盖状，其开口端与上安装板51相连，且上安装模52的开口构成第三真空腔503。上安装模52的该种结构不仅便于加工，且可减轻上模座50的重量。

可选地，第二安装面501为水平面。或者上安装模52为在外力作用下可产生形变的塑性材料制备而成的塑性件，且第二安装面501为与交换膜13呈3°～5°夹角的斜面。在上模座50与下模座20合模过程中，为避免上边框膜11与交换膜13之间、下边框膜12与交换膜13之间出现气泡夹杂，进而影响贴合质量，本发明中，上安装模52选用橡胶材质，且第二安装面501与交换膜13之间具有3°到5°的倾斜，如图2所示。从而合模过程中，上边框膜11与交换膜13之间从斜面的向下倾斜端至斜面的向上倾斜端逐步贴合，同时上模座50也压使下边框膜12与交换膜13之间从斜面的向下倾斜端至斜面的向上倾斜端逐步贴合，从而可以将上边框膜11与交换膜13、下边框膜12与交换膜13之间的空气逐步向外排出，进而提高膜电极的贴合质量。在上边框膜11与交换膜13、下边框膜12与交换膜13完全贴合后，由于橡胶材质塑性较强，故在一定的外力作用下第二安装面501可被压缩成与下支承面201平行，如图1所示。另一方面，当第二安装面501与交换膜13之间的夹角小于3°时，上边框膜11与交换膜13、下边框膜12与交换膜13之间的气泡排出效果不明显；当第二安装面501与交换膜13之间的夹角大于5°时，上模座50下压过程中，可引起上边框膜11相对交换膜13、交换膜13相对下边框膜12之间的移位，进而影响贴合质量。

可选地，如图2所示，上模座50上设有第二安装通道。第二定位构件60沿第二安装通道的轴向设置于第二安装通道中，且第二定位构件60的自由端伸出第二安装通道并用于与上边框膜11上的安装孔配合，以对上边框膜11在上模座50上的安装位置进行定位。本可选方案的第一具体实施例，第二安装通道两端贯通，第二定位构件60包括沿第二安装通道的轴向滑动插设于第二安装通道中的第二定位销，第二定位销的自由端伸出第二安装通道，第二定位销的顶端连接有用于提供沿轴向弹性力的第二弹簧件，第二弹簧件的顶端与上安装板51固定连接。本可选方案的第二具体实施例，与第一具体实施例不同的是，第二定位构件60包括沿第二安装通道的轴向插设于第二安装通道中的第二定位销，第二定位销的自由端伸出第二安装通道，第二定位销的顶端与上安装板51固定连接。

实际应用时，第二定位构件60的第一具体实施例可与第一定位构件30的第一具体实施例或第二具体实施例对应设置，且第二定位构件60与第一定位构件30抵接时，两者抵接后的稳定位置处于上边框膜11与下边框膜12之间。同样的，第二定位构件60的第二具体实施例可与第一定位构件30的第一具体实施例或第二具体实施例对应设置，且第二定位构件60与第一定位构件30抵接时，两者抵接后的稳定位置处于上边框膜11与下边框膜12之间。

可选地，上边框膜11和下边框膜12的贴合面上涂有热化胶。燃料电池膜电极贴合装置还包括设置于下模座20内的加热构件(图未示)，加热构件用于对贴合后的上边框膜11、下边框膜12和交换膜13进行加热，以使上边框膜11、下边框膜12和交换膜13三者贴合成膜电极。

参见图1和2，根据本发明的另一方面还提供了一种燃料电池膜电极贴合方法，采用如上述任一项的燃料电池膜电极贴合装置进行贴合操作，包括以下步骤：

将下边框膜12安装至下模座20上，并通过第一定位构件30定位下边框膜12。

夹具40定位吸附涂覆有催化剂的交换膜13后，通过第一定位构件30将夹具40定位于下模座20上、以使吸附于夹具40上的交换膜13定位贴合至下边框膜12的上表面。

启动真空吸附装置吸紧交换膜13后，将夹具40从下模座20上脱离。

将上边框膜11安装至上模座50上，并通过第二定位构件60定位上边框膜11。

将上模座50与下模座20合模，合模过程中通过第二定位构件60抵接第一定位构件30并使上边框膜11相对交换膜13进行定位。

具体地，首先将下边框膜12安装至下模座20上，并通过第一定位构件30定位下边框膜12，实际操作过程中，下边框膜12上设有定位孔，下边框膜12通过定位孔穿射于第一定位构件30上，进而定位于下模座20上；然后在夹具40定位吸附涂覆有催化剂的交换膜13后，通过转运机构将吸附有交换膜13的夹具40转运至下模座20处，并通过第一定位构件30将夹具40定位于下模座20上、以使吸附于夹具40上的交换膜13定位贴合至下边框膜12的上表面，实际操作过程中，夹具40上设有定位孔，夹具40通过其上的定位孔穿射于第一定位构件30上，进而定位于下模座20上；接着，启动真空吸附装置吸紧交换膜13后，将夹具40从下模座20上脱离；然后再将上边框膜11安装至上模座50上，并通过第二定位构件60定位上边框膜11，实际操作过程中，上边框膜11上设有定位孔，上边框膜11通过其上的定位孔穿射于第二定位构件60上，进而定位于上模座50上；最后将上模座50与下模座20合模，合模过程中通过第二定位构件60抵接第一定位构件30对上边框膜11相对交换膜13进行定位。从而实现下边框膜12相对下模座20定位、交换膜13相对下边框膜12定位、上边框膜11相对上模座50和交换膜13分别定位，进而提高膜电极的贴合精度，减少膜电极的贴合区域，最终降低燃料电池的成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。