一种燃料电池膜电极生产封装工艺的制作方法

本发明涉及一种燃料电池膜电极生产封装工艺，属于燃料电池技术领域。

背景技术：

目前燃料电池行业发展参差不齐，我国与发达国家的技术水平和生产水平存一定距离，燃料电池电堆的型号和尺寸无法统一。在此基础上，如今相关公司或研究机构所加工生产的膜电极的特点一般是尺寸繁杂，数量不大且大多需要独家定做，因此一些为大规模、标准化生产的设计无法得到很好的施展。

由于大规模标准化生产无法满足大量的特殊尺寸定做需求，普遍情况是操作工人手工加工生产燃料电池膜电极，即工人在组装膜电极时将裁切好的质子交换膜封入密封保护边框中，一般使用三明治型的装封方法，即将质子交换膜封于两层密封保护边框之中。在加工过程中，为了后续装堆需要，膜电极上下密封边框需要严格对齐，否则会导致膜电极后续无法嵌入定位柱的问题。此外，质子交换膜由于厚度很薄，且极易吸收空气中的水分导致其变形，因此在组装过程中常常会产生起圈或翻折，使得很难在手工操作的情况下一次成型，对劳动者的操作要求高，效率低下。

现有技术中的专利申请号201210016352.7其设计了利用上下层在密封边框上对应位置施以对位标记，根据阴极对位标记和阳极对未标记在垂直于密封边框平面方向上构成图案，以此实现密封边框的对位操作。此方法仅适用于规模化单一型号膜电极生产，无法灵活应对各种不同型号尺寸的膜电极生产，生产存在弊端。

专利申请号201710134302.1的专利中使用了吸风板将质子交换膜固定，使用定位加工标线对位后，将一张热压边框热压至质子交换膜上，再将整体翻转后操作成型。此方法看似简单易行，但依然需要依靠人工操作将上下密封边框进行对位，且在更换生产的膜电极尺寸后需要重新确定标线。生产灵活性差，产品质量难以控制。

专利申请号201310732881.1，此专利采用了一种“面-面”压合工艺，但在压合前两密封边框未进行有效对位，导致实际操作困难。且以此方法使用压敏胶进行边框制作很容易带入大量气泡，制作的边框稳定性欠佳。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种燃料电池膜电极生产封装工艺，简单可行，大大降低了膜电极组装工序的操作难度，降低了生产企业对膜电极组装工人的技术水平要求。

为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池膜电极生产封装工艺，其特征是，包括以下步骤：

（a）为对位装置选择固定柱并且调整固定柱的位置；

（b）将裁切下的边框按序每层逐渐装至对位装置上，使用可调压板将需要热封的一侧密封边框进行压平压实；

（c）使用热封系统，进行侧向热封处理，处理后密封边框自行固定对位，得到预处理后的膜电极密封边框；

（d）将预处理后的膜电极密封边框在干净保护垫片上摊平，打开两层密封边框，使用气吹吹扫干净；

（e）在两层边框间放入质子交换膜，合上两层密封边框，密封边框完成对位；

（f）调整膜电极在密封边框中的位置，使其居中，轻微移动密封边框改变质子交换膜和密封边框间的位置关系；

（g）将整体三层压入上下保护层，进入热压系统热压定型；

其中，所述的对位装置包括固定组件和滑动定位组件，所述固定组件包括基座板，所述基座板两端设有槽孔，所述槽孔内插入固定柱；所述基座板的端部设有压板基座，所述压板基座上设有可调压板；所述基座板靠近一侧槽孔的区域开设下陷区域安装滑动定位组件，所述滑动定位组件包括滑动定位轴和滑块，所述滑动定位轴轴部穿过滑块上的轴孔，所述滑动定位轴的两端滚轴在基座板的下陷区域内滑动，所述滑块上设有固定柱。

进一步地，所述的步骤（c）中，所述的热封系统为电烙铁或加热电阻丝。

进一步地，所述的步骤（c）中，所述的密封边框带有热熔胶层。

进一步地，所述的步骤（e）中，所述的质子交换膜为担载好催化层的质子交换膜或仅是质子交换膜中的一种。

进一步地，所述的步骤（g）中，所述的热压定型为线接触滚动压合。

进一步地，所述的对位装置左右两端皆可使用。

进一步地，所述的固定柱依据加工零件要求更换不同尺寸。

本发明所达到的有益效果：使用热封系统将膜电极密封边框进行预处理，无需再上下两层边框对位，极大地提高了加工效率和精确度。本发明提供的膜电极生产封装工艺简单可行，大大降低了膜电极组装工序的操作难度，降低了生产企业对膜电极组装工人的技术水平要求。

附图说明

图1是本发明燃料电池膜电极密封边框对位装置的立体组装图；

图2是本发明实施例1中燃料电池膜电极密封边框对位装置的结构示意图；

图3是本发明实施例2中燃料电池膜电极密封边框对位装置的结构示意图；

图4是本发明燃料电池膜电极生产封装工艺的流程图；

图5是热封材料透明区域相对热封边延伸的距离；

图6是相同材料密封边框在不同温度和时间下的热封效果对比图；

图7是不同材料密封边框在相同温度和时间下的热封效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种燃料电池膜电极密封边框对位装置，包括固定组件和滑动定位组件，所述固定组件包括长方体板型的基座板4，所述基座板4两端分别设有两个槽孔，所述槽孔内插入固定柱5；所述基座板4的端部设有压板基座8，所述压板基座8上设有可调压板7。

所述基座板4靠近一侧槽孔的区域开设下陷区域安装滑动定位组件，所述滑动定位组件包括滑动定位轴1和滑块2，所述滑动定位轴1轴部穿过滑块2上的轴孔，所述滑动定位轴1的两端滚轴在基座板4的下陷区域内滑动，所述滑动定位轴1的两端滚轴直接嵌入基座板4下陷区域的导槽3内，滑动定位轴两端嵌入导槽3部分是圆柱体、长方体或球体中的一种。所述滑块2上设有固定柱5，所述固定柱5为可替换式固定柱，以此实现对不同尺寸燃料电池膜电极密封边框的加工处理。所述基座板4的下陷区域内设有可替换垫板6，在加工较大密封边框时可将其垫于滑动定位组件下陷区域，提高定位效果。

利用膜电极密封边框对位装置先将裁切好的密封边框进行对位固定处理，此过程称为密封边框对位固定过程，得到预处理后的密封边框。使用预处理后的密封边框进行直接进行封装工艺，此工艺称为质子交换膜组装热封过程。

密封边框对位固定过程为：

（1）依据加工的膜电极详细尺寸来确定固定柱的尺寸，若膜电极上存在圆形定位孔，则选择孔径与其相同的固定柱，若膜电极上无定位孔，则可选择使用膜电极有效面积边框角作为定位基准，选择方形或圆形固定柱（取决是否有倒角或圆角）。

（2）调整设定好固定柱的位置，使得膜电极密封边框上的定位孔能够准确安装入相应固定柱。

（3）将裁切下的边框按序每层逐渐装至对位装置上，边框材料带有热熔胶层。

（4）使用可调压板将需要热封的一侧密封边框进行压平压实。

（5）使用低温电烙铁，根据实际材料厚度和大小按照一定温度和时间进行侧向热封处理。一般情况下，材料厚度在150μm以下的，选择120℃、20s热处理即可。实际情况可以更具材料参数变化而调整。

（6）将处理好的膜电极密封边框从装置上取下备用。

质子交换膜组装热封处理过程为：

（1）将预处理后的膜电极密封边框在干净保护垫片上摊平，打开两层密封边框，使用气吹等吹扫干净。

（2）取出质子交换膜，将其覆盖在有效面积框内，将其覆盖即可。

（3）合上两层密封边框，由于已经预处理，无需再上下两层边框对位，极大地提高了加工效率和精确度。

（4）调整膜电极在密封边框中的位置，使其居中，可使用轻微移动密封边框的形式来改变质子交换膜和密封边框间的位置关系。

（5）将整体三层压入上下保护层，进入热压系统进行热压定型。

实施例1：

本次加工的膜电极尺寸为最大长度处190mm，最大宽度处90mm，定位孔径5mm，因此选用加工较大膜电极时使用的a端（如图2）以此充分利用其压合平台。可替换式固定柱选择5mm，理论上选择任意小于5mm的固定柱都可以实现对位的操作需求。

一种燃料电池膜电极生产封装工艺，包括以下步骤：

（1）使用加工较大型膜电极的对位装置a端将边框经行预处理，预处理后的边框能够起到组装时不需要人工再次进行对位操作便可以使得上下边框严格对齐。

（2）将预处理后的膜电极密封边框在干净保护垫片上摊平，打开两层密封边框，使用气吹等吹扫干净。

（3）取出喷涂裁切好的质子交换膜，将其覆盖在有效面积框内，将其覆盖即可。

（4）合上两层密封边框，由于已经预处理，无需再上下两层边框对位，极大地提高了加工效率和精确度。

（5）调整膜电极在密封边框中的位置，使其居中。可选择轻微移动密封边框的形式来改变质子交换膜和密封边框间的位置关系。

（6）将整体三层压入上下保护层，进入热压系统进行热压定型。

实施例2：

本次加工的研发试样膜电极为正方形无对位孔结构，外框边长70mm，有效面积边长50mm，因此选用加工较小膜电极时使用的b端（如图3），选择方形对位柱与有效面积两边重合的方式将密封边框进行对齐。选择的方形可替换式固定柱5为5mm。

一种燃料电池膜电极生产封装工艺，包括以下步骤：

（1）使用加工较小型膜电极的对位装置b端将边框经行预处理，预处理后的边框能够起到组装时不需要人工再次进行对位操作便可以使得上下边框严格对齐。

（2）将预处理后的膜电极密封边框在干净保护垫片上摊平，打开两层密封边框，使用气吹等吹扫干净。

（3）取出喷涂裁切好的质子交换膜，将其覆盖在有效面积框内，将其覆盖即可。

（4）合上两层密封边框，由于已经预处理，无需再上下两层边框对位，极大地提高了加工效率和精确度。

（6）调整膜电极在密封边框中的位置，使其居中。可选择轻微移动密封边框的形式来改变质子交换膜和密封边框间的位置关系。

（7）将整体三层压入上下保护层，进入热压系统进行热压定型。

由于侧面热量传导规律，热封材料上产生了扇形的透明区域，可测量由透明区域相对热封边延伸的距离d（见图5），我们可以借此评估热封效果。一般认为，热封距离d大于0.5mm，即可产生较好的固定效果。一般认为，热封距离d与材料厚度、温度和热封时间有关，厚度越小，温度越高，时间越长热封效果越好。不同材料在不同温度下热封效果已做初步定性测试，见图6和图7。测试结果证明使用侧向热压工艺操作简单可靠，可以达到实际期望的使用效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。