燃料电池膜电极的整形修复装置及方法与流程

1.本发明涉及燃料电池膜电极修复技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池膜电极的整形修复装置及方法。


背景技术：

2.在燃料电池的实际装配中，无论是单电池还是由多个单电池组装而成的电堆，都需要由膜电极组件和极板形成两个独立的密闭空腔。膜电极组件包括膜电极和边框，膜电极的平整性对整个电堆的气密性都有着较大的影响。
3.膜电极在制备过程中需要在恒温恒湿实验室中，于120-130℃的温度下将催化剂转印至质子交换膜上，之后再将气体扩散层粘贴、冷压或热压在质子交换膜上形成膜电极。在降温后及之后的运输中，由于热胀冷缩、应力集中、质子交换膜失水皱缩等原因，膜电极极易发生翘曲及弯曲，导致气体扩散层脱落，降低装堆效率和电堆的密封性。


技术实现要素：

4.本发明提供一种燃料电池膜电极的整形修复装置及方法，以解决现有技术中的膜电极极易发生翘曲以及弯曲，导致气体扩散层脱落的问题。
5.本发明提供了一种燃料电池膜电极的整形修复装置，其包括：夹持组件，包括第一夹持部和第二夹持部，第一夹持部具有第一夹持面，第二夹持部具有第二夹持面，第一夹持面和第二夹持面相对设置，且第一夹持面和第二夹持面之间的间距可调，第一夹持面和第二夹持面之间的空间形成夹持空间，第一夹持面和第二夹持面配合以对膜电极进行夹持；加湿结构，加湿结构具有加湿流体喷口，加湿流体喷口与夹持空间连通，加湿流体喷口能够喷出加湿流体以对膜电极进行加湿；温度调节结构，设置在夹持组件上，温度调节结构用于调节第一夹持部和第二夹持部的至少一个的温度，以调节夹持空间内的空气的温度。
6.应用本发明的技术方案，通过夹持组件对待修复的膜电极进行夹持，通过加湿结构对膜电极进行加湿，并通过温度调节结构依次对加湿的膜电极进行加温、降温处理，以实现对褶皱的膜电极的修复。具体地，通过本装置修复褶皱的膜电极时，将待修复的膜电极放置在第一夹持面和第二夹持面之间，调节第一夹持面和第二夹持面之间的间距，使得第一夹持部和第二夹持部对待修复的膜电极进行夹持，以使待修复的膜电极受到比较均匀的压力；在待修复的膜电极受到较为均匀的压力的前提下，通过加湿结构对膜电极进行加湿，膜电极湿润后，通过温度调节结构提升夹持空间内的空气的温度，达到第一预设温度后，持续一定时间，再通过温度调节结构降低夹持空间内的空气的温度，完成对待修复膜电极的整形修复。膜电极通常包括边框和质子交换膜组件，边框包括上边框和下边框，质子交换膜设置在上边框和下边框之间，质子交换膜组件通常包括质子交换膜、成型在质子交换膜表面的催化剂和气体扩散层，由于热胀冷缩、应力集中、质子交换膜失水皱缩等原因，膜电极在储存及运输过程中，膜电极极易发生褶皱、翘曲以及弯曲，导致气体扩散层脱落，降低装堆效率和电堆的密封性。通过本方案的装置，修复的过程中，第一夹持面和第二夹持面分别与
膜电极上下表面的气体扩散层接触，减小修复过程中质子交换膜变厚的可能性。在加压的情况下，对膜电极进行加湿，可以加快质子交换膜内质子传输通道的建立，改善膜电极整体的性能，降低燃料电池的活化时间；在加压的情况下，对湿润的膜电极进行加热，能够进一步加速质子交换膜中质子传输通道的建立，并且能够降低质子交换膜的分子间的作用力，软化质子交换膜，使得软化后的质子交换膜具有一定的变形能力，以便于对变形的质子交换膜进行整形修复；在加压的情况下，对升温后的膜电极进行降温，能够约束分子运动的路径，快速增加质子交换膜分子间作用力，利用温度-分子间作用力的关系消除绝大多数应力，以使膜电极的形貌处于较为稳定的状态，不易出现应力集中导致的变形或者破损。通过本方案的装置，在加压的过程中，对膜电极进行湿润、升温以及降温，能够纠正膜电极的形状，并对膜电极的形貌进行定型，即能够快速地修复褶皱的膜电极，使其达到装堆标准，降低运输成本，加快装堆效率，增加膜电极的合格率。
7.进一步地，加湿结构包括：第一加湿流体通道，第一加湿流体通道用于供加湿流体流通，第一加湿流体通道设置在第一夹持部上，第一加湿流体通道包括顺次设置的第一加湿流体入口、第一加湿流体流道和第一加湿流体喷口，第一加湿流体喷口设置在第一夹持面上；和/或，第二加湿流体通道，第二加湿流体通道用于供加湿流体流通，第二加湿流体通道设置在第二夹持部上，第二加湿流体通道包括顺次设置的第二加湿流体入口、第二加湿流体流道和第二加湿流体喷口，第二加湿流体喷口设置在第二夹持面上。
8.进一步地，燃料电池膜电极的整形修复装置还包括：第一密封件，环形设置在第一夹持面上，沿膜电极的厚度方向，第一密封件的投影位于膜电极的气体扩散层的外侧；第二密封件，环形设置在第二夹持面上，第二密封件与第一密封件的正对设置，且第一密封件、第二密封件、第一夹持面和第二夹持面形成密封空间。
9.进一步地，温度调节结构包括：第一温控剂通道，设置在第一夹持部上，第一温控剂通道用于供温控剂流通；和/或，第二温控剂通道，设置在第二夹持部上，第二温控剂通道用于供温控剂流通。
10.进一步地，燃料电池膜电极的整形修复装置还包括：定位结构，设置在第一夹持面和第二夹持面的至少一个上，定位结构能够对膜电极的位置进行定位。
11.进一步地，定位结构位于膜电极的气体扩散层的外侧，定位结构与膜电极的边框定位配合。
12.进一步地，燃料电池膜电极的修复整形装置还包括：架体，第一夹持部和第二夹持部相对设置在架体上，第一夹持部可相对架体滑动；驱动件，设置在架体上，驱动件与第一夹持部驱动配合，以调节第一夹持部和第二夹持部之间的间距。
13.进一步地，根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池膜电极的整形修复方法，其应用上述的燃料电池膜电极的整形修复装置，整形修复方法包括以下步骤：步骤1：预压，将待修复的膜电极放置在燃料电池膜电极的整形修复装置的第一夹持面和第二夹持面之间，调节第一夹持面和第二夹持面之间的间距，以使第一夹持面和第二夹持面配合并对膜电极进行夹持，以使第一夹持面和第二夹持面之间的间距达到d1，d1设置在膜电极设计厚度的1倍至1.2倍；步骤2，加湿，向整形修复装置的加湿结构中通入加湿流体，使得加湿流体由加湿结构的加湿流体喷口喷出以对膜电极进行加湿；步骤3，加温，在加湿的同时或者加湿之后，通过整形修复装置的温度调节结构对夹持空间进行加温，以使夹持空间内的温度
达到第一预设温度，第一预设温度设置在70℃至95℃；步骤4，冷却，夹持空间内的温度达到第一预设温度后，通过温度调节结构对夹持空间进行降温，以使夹持空间内的温度降低至第二预设温度，第二预设温度设置在-40℃至50℃。
14.应用本发明的技术方案，在修复的过程中，依次对膜电极进行夹持、湿润、升温以及降温处理，能够提升对膜电极的修复效果。在夹持质子交换膜的前提下，对质子交换膜进行湿润以加快质子交换膜内质子传输通道的建立，之后依次对湿润的质子交换膜进行升温以及降温处理，升温过程中先降低质子交换膜的分子间作用力，对质子交换膜进行软化，使其具有一定的变形能力，待质子交换膜具有变性能力后，对质子交换膜进行降温处理，在对分子路径形成约束，利用温度-分子间作用力的关系消除绝大多数应力。具体地，在加热过程中，温度低于70℃时，质子交换膜内分子间作用力较强，无法有效消除应力，且质子交换膜的活性较低，无法起到建立质子传输通道的作用，温度高于95℃时，可能导致喷入到夹持空间内的流体微观层面滴液沸腾，破坏质子交换膜上催化剂的形貌。因此，本方案将加热温度设置在70℃至95℃，既能够保证有效消除质子交换膜的应力，建立质子传输通道，也能够维持催化剂形貌。将降温过程中，温度低于-40℃，质子交换膜容易脆断，温度高于50℃，质子交换膜应力释放不完全，待进一步降温后仍然容易卷曲。
15.进一步地，步骤3还包括：在加温的过程中，进一步减小第一夹持面和第二夹持面之间的间距，以使第一夹持面和第二夹持面之间的间距达到d2，d2设置在膜电极设计厚度的0.7倍至0.9倍。
16.进一步地，步骤3还包括：当夹持空间内的温度达到第一预设温度后，维持第一夹持面和第二夹持面之间的间距d2持续2min以上。
17.进一步地，燃料电池膜电极的整形修复方法还包括：
18.步骤5，在第一夹持面上设置第一密封件，在第二夹持面上设置第二密封件，通过设置第一密封件的第一夹持面和设置第二密封件的第二夹持面对步骤4所得的膜电极进行夹持，并重复执行步骤1至步骤4。
附图说明
19.构成本技术的一部分的说明书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：
20.图1示出了本发明提供的燃料电池膜电极的整形修复装置的结构示意图；
21.图2示出了本发明提供的燃料电池膜电极的整形修复装置的主视图；
22.图3示出了本发明提供的燃料电池膜电极的整形修复装置的侧视图；
23.图4示出了本发明提供的燃料电池膜电极的整形修复装置的第一夹持部的结构示意图；
24.图5示出了本发明提供的燃料电池膜电极的整形修复装置的第二夹持部的结构示意图。
25.其中，上述附图包括以下附图标记：
26.10、第一夹持部；101、第一夹持面；
27.11、第一加湿流体通道；
28.111、第一加湿流体入口； 112、第一加湿流体喷口；
29.121、第一温控剂入口； 122、第一温控剂出口；
30.20、第二夹持部； 201、第二夹持面；
31.21、第二加湿流体通道；
32.211、第二加湿流体入口； 212、第二加湿流体喷口；
33.221、第二温控剂入口； 222、第二温控剂出口；
34.31、第一密封件； 32、第二密封件；
35.41、第一定位柱； 42、第二定位柱；
36.50、架体；
37.60、驱动件。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.如图1至图5所示，本发明实施例提供一种燃料电池膜电极的整形修复装置，其包括：夹持组件、加湿结构和温度调节结构。夹持组件包括第一夹持部10和第二夹持部20，第一夹持部10具有第一夹持面101，第二夹持部20具有第二夹持面201，第一夹持面101和第二夹持面201相对设置，且第一夹持面101和第二夹持面201之间的间距可调，第一夹持面101和第二夹持面201之间的空间形成夹持空间，第一夹持面101和第二夹持面201配合以对膜电极进行夹持。加湿结构具有加湿流体喷口，加湿流体喷口与夹持空间连通，加湿流体喷口能够喷出加湿流体以对膜电极进行加湿。温度调节结构设置在夹持组件上，温度调节结构用于调节第一夹持部10和第二夹持部20的至少一个的温度，以调节夹持空间内的空气的温度。
40.应用本发明的技术方案，通过夹持组件对待修复的膜电极进行夹持，通过加湿结构对膜电极进行加湿，并通过温度调节结构依次对加湿的膜电极进行加温、降温处理，以实现对褶皱的膜电极的修复。具体地，通过本装置修复褶皱的膜电极时，将待修复的膜电极放置在第一夹持面101和第二夹持面201之间，调节第一夹持面101和第二夹持面201之间的间距，使得第一夹持部10和第二夹持部20对待修复的膜电极进行夹持，以使待修复的膜电极受到比较均匀的压力；在待修复的膜电极受到较为均匀的压力的前提下，通过加湿结构对膜电极进行加湿，膜电极湿润后，通过温度调节结构提升夹持空间内的空气的温度，达到第一预设温度后，持续一定时间，再通过温度调节结构降低夹持空间内的空气的温度，完成对待修复膜电极的整形修复。膜电极通常包括边框和质子交换膜组件，边框包括上边框和下边框，质子交换膜设置在上边框和下边框之间，质子交换膜组件通常包括质子交换膜、成型在质子交换膜表面的催化剂和气体扩散层，由于热胀冷缩、应力集中、质子交换膜失水皱缩等原因，膜电极在运输过程中，膜电极极易发生褶皱、翘曲以及弯曲，导致气体扩散层脱落，降低装堆效率和电堆的密封性。通过本方案的装置，修复的过程中，第一夹持面101和第二夹持面201分别与膜电极上下表面的气体扩散层接触，减小修复过程中质子交换膜变厚的
可能性。在加压的情况下，对膜电极进行加湿，可以加快质子交换膜内质子传输通道的建立，改善膜电极整体的性能，降低燃料电池的活化时间；在加压的情况下，对湿润的膜电极进行加热，能够进一步加速质子交换膜中质子传输通道的建立，并且能够降低质子交换膜的分子间的作用力，软化质子交换膜，使得软化后的质子交换膜具有一定的变形能力，以便于对变形的质子交换膜进行整形修复；在加压的情况下，对升温后的膜电极进行降温，能够约束分子运动的路径，快速增加质子交换膜分子间作用力，利用温度-分子间作用力的关系消除绝大多数应力，以使膜电极的形貌处于较为稳定的状态，不易出现应力集中导致的变形或者破损。通过本方案的装置，在加压的过程中，对膜电极进行湿润、升温以及降温，能够纠正膜电极的形状，并对膜电极的形貌进行定型，即能够快速地修复褶皱的膜电极，使其达到装堆标准，降低运输成本，加快装堆效率，增加膜电极的合格率。
41.本方案对加湿结构的具体形式以及设置位置不做限定，其中，可单独设置加湿结构，即使得加湿结构与夹持组件分体设置，只要加湿结构的加湿流体喷口能够伸入至夹持空间并对夹持空间喷入加湿流体即可。
42.如图3至图4所示，本实施例中，加湿结构包括第一加湿流体通道11和第二加湿流体通道21。第一加湿流体通道11用于供加湿流体流通，第一加湿流体通道11设置在第一夹持部10上，第一加湿流体通道11包括顺次设置的第一加湿流体入口111、第一加湿流体流道和第一加湿流体喷口112，第一加湿流体喷口112设置在第一夹持面101上。第二加湿流体通道21用于供加湿流体流通，第二加湿流体通道21设置在第二夹持部20上，第二加湿流体通道21包括顺次设置的第二加湿流体入口211、第二加湿流体流道和第二加湿流体喷口212，第二加湿流体喷口212设置在第二夹持面201上。上述设置，使得夹持组件集成了夹持以及加湿的功能，减少了本装置的部件的数量，降低了本装置的成本。
43.本方案对第一夹持部10和第二夹持部20的具体形状不做限定，只要保证第一夹持面101和第二夹持面201为相互平行的平面即可，且本方案对第一加湿流体入口111和第二加湿流体入口211的布置位置不做限制。本实施例中，第一夹持部10和第二夹持部20均为矩形板状结构，第一夹持部10和第二夹持部20的形状相同。第一加湿流体入口111不设置在第一夹持面101上，第二加湿流体入口211不设置在第二夹持面201上即可，如此设置，能够避免外接的输入流体的设备的管道伸入至夹持空间内，进而能够实现第一夹持面101和第二夹持面201之间的间距足够小，保证设备装配的顺畅性。
44.进一步地，本方案对第一加湿流体通道11的数量以及第一加湿流体流道的形状不做限定。
45.可选地，第一加湿流体通道11包括多个第一加湿流体流道，多个第一加湿流体流道为多个同轴且半径逐渐增加的环形结构，第一加湿流体通道11还包括多个连通通道，相邻的两个第一加湿流体通道11通过多个连通通道连通，多个连通通道沿第一加湿流体流道的周向环形间隔设置，且连通通道的延伸方向沿第一加湿流体流道的径向延伸，连通通道的两端分别与相邻的两个第一加湿流体流道连通。每个第一加湿流体通道11上均间隔设置有多个第一加湿流体喷口112，上述设置，能保证加湿流体喷入至膜电极上的均匀性，进而保证膜电极湿润的一致性，且能够有效降低膜电极的湿润时间。第二加湿流体通道21可设置为与第一加湿流体通道11为同样形式的流道结构，如此设置，使得第一夹持部10和第二夹持部20的形状相同，降低加工夹持组件的成本。
46.可选地，第一加湿流体通道11包括多个第一加湿流体流道，多个第一加湿流体流道相互交叉连通，以形成网格结构，每个第一加湿流体流道上均间隔设置有多个第一加湿流体喷口112。第二加湿流体通道21可设置为与第一加湿流体通道11为同样形式的流道结构，如此设置，使得第一夹持部10和第二夹持部20的形状相同，降低夹持组件的成本。
47.在膜电极的厚度方向上，多个第一加湿流体喷口112与多个第二加湿流体喷口212错位设置，如此设置，能够尽可能地增加对膜电极进行湿润的位置，进一步提升对膜电极进行湿润的均匀性以及减少对膜电极进行湿润的时间。
48.本方案中，第一加湿流体入口111可设置在第一夹持部10的侧壁上，也可设置在第一夹持部10的远离第二夹持部20的表面上，本方案对第一加湿流体入口111的设置数量和设置位置不做限定。如此设置，能够避免外接的流体输送组件的管道伸入至夹持空间内，保证第一夹持面101和第二夹持面201之间的间距足够小。
49.进一步地，燃料电池膜电极的整形修复装置还包括第一密封件31和第二密封件32。其中，第一密封件31环形设置在第一夹持面101上，第一密封件31环形设置在多个第一加湿流体喷口112的外侧，沿膜电极的厚度方向，第一密封件31的投影位于膜电极的气体扩散层的外侧；第二密封件32环形设置在第二夹持面201上，第二密封件32环形设置在多个第二加湿流体喷口212的外侧，第二密封件32与第一密封件31的正对设置，且第一密封件31、第二密封件32、第一夹持面101和第二夹持面201形成密封空间。当膜电极褶皱不严重时，通过设置有第一密封件31和第二密封件32的夹持组件对膜电极进行夹持，并进行湿润、加热以及降温的过程，第一密封件31和第二密封件32分别与膜电极的边框进行抵接，对膜电极夹持后，第一密封件31、膜电极以及第一夹持部10之间形成第一密封空间，第二密封件32、膜电极以及第二夹持部20之间形成第二密封空间，膜电极的两个气体扩散层分别位于第一密封空间和第二密封空间内，在加热的过程中，向第一密封空间和第二密封空间输入加湿流体时，能够增加第一密封空间和第二密封空间的气压，在加热过程中，保持第一密封空间和第二密封空间的气压在50-100kpa，能够使膜电极所受的压力更加均匀，同时加压可增加密闭空间中流体的密度，起到更好的传热效果，加压还可帮助流体分子进入气体扩散层到达质子交换膜，进而起到更好的修复效果及质子传输通道建立效果，更好的改善膜电极整体性能。在降温的过程中，可通过第一加湿流体通道11和第二加湿流体通道21抽出第一密封空间和第二密封空间内的流体，快速带走膜电极内部热量，加速分子间作用力的恢复，起到更好的修复效果。
50.可选地，第一密封件31与第一夹持部10可拆卸连接，第二密封件32与第二夹持部20可拆卸连接，如此设置，可根据膜电极的实际变形情况，选择使用第一密封件31和第二密封件32或者不使用第一密封件31和第二密封件32。且本方案对上述可拆卸的方式不做限定，可通过粘接、卡接或者紧固件的方式进行连接。当膜电极褶皱严重时，质子交换膜的分子间作用力较强，其脆性较大，此时皱缩变形的膜电极具有较强的应力，此时选择带有第一密封件31和第二密封件32的夹持组件对膜电极修复时，第一密封件31和第二密封件32接触到膜电极时，势必会拉伸膜电极边框至膜电极皱缩变形前的位置，此操作可能直接导致气体扩散层从质子交换膜上脱落，或直接扯破质子交换膜。因此，在膜电极褶皱程度较小时，使用第一密封件31和第二密封件32。
51.本方案中，第一夹持部10和第二夹持部20为导热性材质制成，本方案对第一夹持
部10和第二夹持部20的具体材质不做限制，本实施例中，第一夹持部10和第二夹持部20为金属材质。且本方案对温度调节结构的形式不做限定，可以为设置在在第一夹持部10和第二夹持部20上的制热件和制冷件，通过制冷件和制热件与第一夹持部10和第二夹持部20实现热传导，调节第一夹持部10和第二夹持部20的温度。
52.本实施例中，温度调节结构包括第一温控剂通道和第二温控剂通道。第一温控剂通道设置在第一夹持部10上，第一温控剂通道用于供温控剂流通；第二温控剂通道设置在第二夹持部20上，第二温控剂通道用于供温控剂流通。第一温控剂通道和第二温控剂通道的设置，可使得夹持组件集夹持膜电极、湿润膜电极以及升温、降温的效果于一体，减少了本装置的零部件的数量，降低了成本。
53.本方案对第一温控剂通道的形式不做限定，第一温控剂通道与第一加湿流体通道11相互避让设置即可。第一温控剂通道与第一加湿流体流道可在同一平面上，也可在第一夹持部10的厚度方向错位设置。
54.可选地，第一温控剂通道与第一加湿流体流道在第一夹持部10的厚度方向错位设置。
55.第一温控剂通道包括顺次连通的第一温控剂入口121、第一温控剂流道和第一温控剂出口122，第一温控剂流道可设置有多个，且多个第一温控剂流道相互连通，如此设置，能够提升对第一夹持部10的温度调节的速度以及提升第一夹持部10的温度的均匀性，保证膜电极各个位置的温度的均匀性。本方案中，第一温控剂入口121和第一温控剂出口122均不设置在第一夹持面101上，本实施例中，第一温控剂入口121和第一温控剂出口122分别设置在第一夹持部10的相对设置的两个侧壁上。第二温控剂通道包括顺次连通的第二温控剂入口221、第二温控剂流道和第二温控剂出口222，其中，第二温控剂通道可设置为与第一温控剂通道结构相同的形式，如此设置，可保证第一夹持部10和第二夹持部20的形状相同，保证对夹持组件加工的便捷性以及降低夹持组件的成本。
56.进一步地，燃料电池膜电极的整形修复装置还包括定位结构。定位结构设置在第一夹持面101和第二夹持面201的至少一个上，定位结构能够对膜电极的位置进行定位。当膜电极褶皱程度较低时，通过定位结构对膜电极进行定位，保证膜电极修复过程中膜电极的稳定性，保证对膜电极的修复效果。
57.具体地，定位结构位于膜电极的气体扩散层的外侧，定位结构与膜电极的边框定位配合。如此设置，能够避免定位结构与膜电极的气体扩散层直接接触，避免发生破坏气体扩散层的情况。
58.本实施例中，定位结构包括第一定位柱41和第二定位柱42，第一定位柱41设置在第一夹持面101上，第一定位柱41设置有多个，多个第一定位柱41环形设置在第一密封件31的外周。第二定位柱42设置在第二夹持面201上，第二定位柱42设置有多个，多个第二定位柱42环形设置在第二密封件32的外周，并且第一定位柱41和第二定位柱42一一相对设置。
59.可选地，第一定位柱41与第一夹持部10可拆卸连接，第二定位柱42与第二夹持部20可拆卸连接。当膜电极褶皱严重时，质子交换膜的分子间作用力较强，其脆性较大，此时皱缩变形的膜电极具有较强的应力，此时选择带有第一定位柱41和第二定位柱42的夹持组件对膜电极修复时，第一定位柱41和第二定位柱42接触到膜电极时，势必会拉伸膜电极边框至膜电极皱缩变形前的位置，此操作可能直接导致气体扩散层从质子交换膜上脱落，或
直接扯破质子交换膜。因此，在膜电极褶皱程度较小时，使用第一定位柱41和第二定位柱42对膜电极进行定位。
60.如图1和图2所示，进一步地，燃料电池膜电极的修复整形装置还包括架体50和驱动件60。其中，第一夹持部10和第二夹持部20相对设置在架体50上，第一夹持部10可相对架体50滑动。驱动件60设置在架体50上，驱动件60与第一夹持部10驱动配合，以调节第一夹持部10和第二夹持部20之间的间距。如此设置，能够实现对第一夹持部10的自动调节。
61.本实施例中，第二夹持部20位于第一夹持部10的下方，且第二夹持部20与架体50可拆卸连接。驱动件60包括四个驱动气缸，四个驱动气缸均位于第一夹持部10的上方，且四个驱动气缸分别与第一夹持部10的四个边角处驱动连接，且四个驱动气缸分别与第一夹持部10可拆卸连接。如此设置，可便于实现对第一夹持部10和第二夹持部20的更换。即可选择不同规格的夹持组件，或者选择带有第一密封件31、第二密封件32、第一定位柱41和第二定位柱42的夹持组件，或者选择不带有第一密封件31和第二密封件32、第一定位柱41和第二定位柱42的夹持组件。
62.本方案还提供了一种燃料电池膜电极的整形修复方法，其应用上述的燃料电池膜电极的整形修复装置，整形修复方法包括以下步骤：
63.步骤1，预压，将待修复的膜电极放置在燃料电池膜电极的整形修复装置的第一夹持面101和第二夹持面201之间，调节第一夹持面101和第二夹持面201之间的间距，以使第一夹持面101和第二夹持面201配合并对膜电极进行夹持，以使第一夹持面101和第二夹持面201之间的间距达到d1，d1设置在膜电极设计厚度的1倍至1.2倍；其中，d1可设置为膜电极设计厚度的1倍、1.1倍或者1.2倍，本实施例中，d1设置在膜电极厚度的1.1倍。
64.步骤2，加湿，向整形修复装置的加湿结构中通入加湿流体，使得加湿流体由加湿结构的加湿流体喷口喷出以对膜电极进行加湿；
65.步骤3，加温，在加湿的同时或者加湿之后，通过整形修复装置的温度调节结构对夹持空间进行加温，以使夹持空间内的温度达到第一预设温度，第一预设温度设置在70℃至95℃；其中，第一预设温度可设置为70℃、75℃、80℃、85℃、90℃或者95℃，本实施例中，第一预设温度设置在80℃。
66.步骤4，冷却，夹持空间内的温度达到第一预设温度后，通过温度调节结构对夹持空间进行降温，以使夹持空间内的温度降低至第二预设温度，第二预设温度设置在-40℃至50℃。其中，第二预设温度可设置在-40℃、-10℃、-20℃、-30℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃或者50℃，本实施例中，步骤4还包括测定环境温度，使得第二预设温度与测定的环境温度相等即可。第二预设温度为环境温度时，可以获得最佳的平整效果以及最高的经济性。若第二预设温度如高于环境温度太多的话，取出膜电极后仍然存在冷却过程，该过程依然可能造成膜电极的卷曲；如第二预设温度低于室温太多的话，经济性会很差。
67.应用本发明的技术方案，在修复的过程中，依次对膜电极进行夹持、湿润、升温以及降温处理，能够提升对膜电极的修复效果。在夹持质子交换膜的前提下，对质子交换膜进行湿润以加快质子交换膜内质子传输通道的建立，之后依次对湿润的质子交换膜进行升温以及降温处理，升温过程中先降低质子交换膜的分子间作用力，对质子交换膜进行软化，使其具有一定的变形能力，待质子交换膜具有变性能力后，对质子交换膜进行降温处理，在对分子路径形成约束，利用温度-分子间作用力的关系消除绝大多数应力。具体地，在加热过
程中，温度低于70℃时，质子交换膜内分子间作用力较强，无法有效消除应力，且质子交换膜的活性较低，无法起到建立质子传输通道的作用，温度高于95℃时，可能导致喷入到夹持空间内的流体微观层面滴液沸腾，破坏质子交换膜上催化剂的形貌。因此，本方案将加热温度设置在70℃至95℃，既能够保证有效消除质子交换膜的应力，建立质子传输通道，也能够维持催化剂形貌。将降温过程中，温度低于-40℃，质子交换膜容易脆断，温度高于50℃，质子交换膜应力释放不完全，待进一步降温后仍然容易卷曲。
68.进一步地，步骤3还包括：在加温的过程中，进一步减小第一夹持面101和第二夹持面201之间的间距，以使第一夹持面101和第二夹持面201之间的间距达到d2，d2设置在膜电极设计厚度的0.7倍至0.9倍。当d2小于膜电极设计厚度的0.7倍时，当d2大于膜电极设计厚度的0.9倍时，因此，本方案将d2设置在膜电极设计厚度的0.7倍至0.9倍。
69.进一步地，步骤3还包括：当夹持空间内的温度达到第一预设温度后，维持第一夹持面101和第二夹持面201之间的间距d2达到2min。如此设置，能够进一步提升对膜电极的修复效果。
70.进一步地，燃料电池膜电极的整形修复方法还包括：
71.步骤5，在第一夹持面101上设置第一密封件31，在第二夹持面201上设置第二密封件32，通过设置第一密封件31的第一夹持面101和设置第二密封件32的第二夹持面201对步骤4所得的膜电极进行夹持，并重复执行步骤1至步骤4。
72.具体地，步骤5包括：
73.5.1，在第一夹持面101上设置第一密封件31和第一定位柱41，在第二夹持面201上设置第二密封件32和第二定位柱42；将待修复的膜电极放置在燃料电池膜电极的整形修复装置的第一夹持面101和第二夹持面201之间，调节第一夹持面101和第二夹持面201之间的间距，以使第一夹持面101和第二夹持面201配合并对膜电极进行夹持，以使第一夹持面101和第二夹持面201之间的间距达到d1，d1设置在膜电极设计厚度的1倍至1.2倍，使得第一密封件51和第二密封件52分别与膜电极两侧的气体扩散层接触，并使得第一定位柱41和第二定位柱42分别与膜电极的边框的接触。
74.5.2，向整形修复装置的加湿结构中通入加湿流体，使得加湿流体由加湿结构的加湿流体喷口喷出以对膜电极进行加湿；
75.5.3，在加湿的同时或者加湿之后，通过整形修复装置的温度调节结构对夹持空间进行加温，以使夹持空间内的温度达到第一预设温度，第一预设温度设置在70℃至95℃，在加温的过程中，进一步减小第一夹持面101和第二夹持面201之间的间距，以使第一夹持面101和第二夹持面201之间的间距达到d2，d2设置在膜电极设计厚度的0.7倍至0.9倍；当夹持空间内的温度达到第一预设温度后，维持第一夹持面101和第二夹持面201之间的间距d2持续min以上
76.5.4，夹持空间内的温度达到第一预设温度后，通过温度调节结构对夹持空间进行降温，以使夹持空间内的温度降低至第二预设温度，第二预设温度设置在-40℃至50℃。
77.进一步地，步骤5.3中还包括，在加温的过程中，确保第一密封件31、第二密封件32、第一夹持部10和第二夹持部20之间的气压保持在50至100kpa。具体可保持在50kpa、60kpa、70kpa、80kpa、90kpa或者100kpa。
78.进一步地，步骤5.4中还包括，在通过温度调节结构对夹持空间进行降温时，抽出
夹持空间内的加湿流体，以提升对夹持空间内流体的降温速度。
79.本发明实施例三提供了一种燃料电池电堆的活化方法，将制备完成的膜电极直接放入到常温常湿环境中(25℃、50％rh)6小时，可以观测到膜电极出现皱缩，在将该膜电极组装电堆之前，使用实施例二提供的方法对膜电极进行修复及预活化，修复后的膜电极可在常温常湿环境中(25℃、50％rh)数小时内(≥12小时)不再皱缩，将修复并预活化后的膜电极装入电堆进行拉载，拉载方式为0.6v30秒、0.4v15秒循环，待电池性能稳定后进行iv曲线测试，从活化开始至电池稳定时间为30min，电堆0.65v平均电流密度为1800ma/cm2，活化后电池无明显串漏。
80.本发明实施例四提供了一种燃料电池电堆的活化方法，将制备完成的膜电极直接使用上述实施例二提供的方法对膜电极进行处理及预活化，处理后的膜电极可在常温常湿环境中(25℃、50％rh)数小时内(≥12小时)不再皱缩，将预活化后的膜电极装入电堆进行拉载，拉载方式为0.6v30秒、0.4v15秒循环，待电池性能稳定后进行iv曲线测试，从活化开始至电池稳定时间为30min，电堆0.65v平均电流密度为1800ma/cm2，活化后电池无明显串漏。
81.本发明对比例一提供了一种燃料电池电堆的活化方法，将制备完成的膜电极直接装入电堆进行拉载，拉载方式为0.6v30秒、0.4v15秒循环，待电池性能稳定后进行iv曲线测试，从活化开始至电池稳定时间为60min，电堆0.65v平均电流密度为1800ma/cm2，由于未进行预活化，活化时间较长，但完全活化后性能正常，活化后电池无明显串漏。
82.本发明对比例二提供了一种燃料电池电堆的活化方法，将制备完成的膜电极直接放入常温常湿环境中(25℃、50％rh)6小时，可以观测到膜电极由于应力集中而出现皱缩，直接将膜电极装入电堆，发现电堆串漏，无法正常拉载。
83.本发明对比例三提供了一种燃料电池电堆的活化方法，将制备完成的膜电极直接放入常温常湿环境中(25℃、50％rh)6小时，可以观测到膜电极出现皱缩，将皱缩的膜电极浸入50℃去离子水中5min，发现气体扩散层脱落，此现象是因为气体扩散层通常经过疏水处理，并使用点胶、冷压、热压等方式安装在膜电极上，在浸入水中时，气体扩散层与水产生的相互作用力极易将气体扩散层从膜电极上剥离。将气体扩散层放回，用吸水纸去除膜电极表面的液态水后，处理后的膜电极在常温常湿环境中(25℃、50％rh)放置30分钟后再次皱缩，且皱缩程度加剧。这是由于质子交换膜通常由全氟磺酸树脂长链构成，由于浸入水中的操作使得质子交换膜充分润湿，在干燥的过程中，各长度的全氟磺酸树脂长链收缩率不同，因而导致皱缩加剧，气体扩散层再次脱落。将再次皱缩的膜电极装入电堆，发现电堆串漏，无法正常拉载；在膜电极再次皱缩前，将膜电极装入电堆进行拉载，拉载方式为0.6v30秒、0.4v15秒循环，待电池性能稳定后进行iv曲线测试，从活化开始至电池稳定时间为40min，电堆0.65v平均电流密度为1700ma/cm2。这是由于质子交换膜和催化层在干燥过程中的收缩率不同，虽然快速操作可以避免质子交换膜的皱缩，但催化层的完全浸润-干燥过程仍然破坏了催化层的形貌，使得催化层在宏观上出现了裂纹，同时微观上出现团聚等变化，因而导致效率降低。活化后电池无明显串漏。
84.本发明对比例四提供了一种燃料电池电堆的活化方法，将制备完成的膜电极直接放入常温常湿环境中(25℃、50％rh)6小时，可以观测到膜电极出现皱缩，在将该膜电极组装电堆之前，仅使用上述步骤1至步骤3对皱缩的膜电极进行修复及预活化，跳过步骤4和步
骤5的操作，处理后的膜电极在常温常湿环境中(25℃、50％rh)放置30分钟后再次皱缩，将再次皱缩的膜电极装入电堆，发现电堆串漏，无法正常拉载；在膜电极再次皱缩前，将修复并预活化后的膜电极装入电堆进行拉载，拉载方式为0.6v30秒、0.4v15秒循环，待电池性能稳定后进行iv曲线测试，从活化开始至电池稳定时间为30min，电堆0.65v平均电流密度为1800ma/cm2，活化后电池无明显串漏。
85.本发明对比例五提供了一种燃料电池电堆的活化方法，将制备完成的膜电极直接放入常温常湿环境中(25℃、50％rh)6小时，可以观测到膜电极出现皱缩，在将该膜电极组装电堆之前，仅使用上述步骤1和2对皱缩的膜电极进行操作，膜电极的皱缩有所减轻但并未完全修复，这是由于未加温，未能降低分子间作用力，因而修复作用不明显。处理后的膜电极在常温常湿环境中(25℃、50％rh)放置1小时后再次皱缩，这是由于全氟磺酸树脂各长度的长链干燥过程中收缩率不同。将再次皱缩的膜电极装入电堆，发现电堆串漏，无法正常拉载；在膜电极再次皱缩前，将操作后的膜电极装入电堆进行拉载，拉载方式为0.6v30秒、0.4v15秒循环，待电池性能稳定后进行iv曲线测试，从活化开始至电池稳定时间为70min，这是由于未能预活化所以活化时间较长，电堆0.65v平均电流密度为1700ma/cm2，活化后电池无明显串漏。
86.本发明对比例六提供了一种燃料电池电堆的活化方法，将制备完成的膜电极直接放入高温高湿环境中(80℃、100％rh)30分钟，处理后的膜电极在常温常湿环境中(25℃、50％rh)放置30分钟后皱缩，这是由于降温和干燥过程中各个组件的收缩和应力集。将皱缩的膜电极装入电堆，发现电堆串漏，无法正常拉载；在膜电极皱缩前，将操作后的膜电极装入电堆进行拉载，拉载方式为0.6v30秒、0.4v15秒循环，待电池性能稳定后进行iv曲线测试，从活化开始至电池稳定时间为30min，电堆0.65v平均电流密度为1800ma/cm2，活化后电池无明显串漏。
87.本发明对比例七提供了一种燃料电池电堆的活化方法，将制备完成的膜电极直接放入常温常湿环境中(25℃、50％rh)6小时，可以观测到膜电极出现皱缩，使用除上述步骤2之外的步骤1至步骤5对皱缩的膜电极进行操作，可观察到膜电极皱缩被修复，处理后的膜电极可在常温常湿环境中(25℃、50％rh)数小时内(≥12小时)不再皱缩，但将膜电极装入电堆，发现电堆串漏，这是由于未加湿的情况下进行加温加压，导致质子交换膜出现机械性损伤，无法正常拉载。
88.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
89.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附
图中不需要对其进行进一步讨论。
90.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
91.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
92.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
93.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。

技术特征：
1.一种燃料电池膜电极的整形修复装置，其特征在于，包括：夹持组件，包括第一夹持部(10)和第二夹持部(20)，所述第一夹持部(10)具有第一夹持面(101)，所述第二夹持部(20)具有第二夹持面(201)，所述第一夹持面(101)和所述第二夹持面(201)相对设置，且所述第一夹持面(101)和所述第二夹持面(201)之间的间距可调，所述第一夹持面(101)和所述第二夹持面(201)之间的空间形成夹持空间，所述第一夹持面(101)和所述第二夹持面(201)配合以对膜电极进行夹持；加湿结构，所述加湿结构具有加湿流体喷口，所述加湿流体喷口与所述夹持空间连通，所述加湿流体喷口能够喷出加湿流体以对所述膜电极进行加湿；温度调节结构，设置在所述夹持组件上，所述温度调节结构用于调节所述第一夹持部(10)和所述第二夹持部(20)的至少一个的温度，以调节所述夹持空间内的空气的温度。2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的整形修复装置，其特征在于，所述加湿结构包括：第一加湿流体通道(11)，所述第一加湿流体通道(11)用于供加湿流体流通，所述第一加湿流体通道(11)设置在所述第一夹持部(10)上，所述第一加湿流体通道(11)包括顺次设置的第一加湿流体入口(111)、第一加湿流体流道和第一加湿流体喷口(112)，所述第一加湿流体喷口(112)设置在所述第一夹持面(101)上；和/或，第二加湿流体通道(21)，所述第二加湿流体通道(21)用于供加湿流体流通，所述第二加湿流体通道(21)设置在所述第二夹持部(20)上，所述第二加湿流体通道(21)包括顺次设置的第二加湿流体入口(211)、第二加湿流体流道和第二加湿流体喷口(212)，所述第二加湿流体喷口(212)设置在所述第二夹持面(201)上。3.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极的整形修复装置，其特征在于，所述燃料电池膜电极的整形修复装置还包括：第一密封件(31)，环形设置在所述第一夹持面(101)上，沿所述膜电极的厚度方向，所述第一密封件(31)的投影位于所述膜电极的气体扩散层的外侧；第二密封件(32)，环形设置在所述第二夹持面(201)上，所述第二密封件(32)与所述第一密封件(31)的正对设置，且所述第一密封件(31)、所述第二密封件(32)、所述第一夹持面(101)和所述第二夹持面(201)形成密封空间。4.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的整形修复装置，其特征在于，所述温度调节结构包括：第一温控剂通道，设置在所述第一夹持部(10)上，所述第一温控剂通道用于供温控剂流通；和/或，第二温控剂通道，设置在所述第二夹持部(20)上，所述第二温控剂通道用于供温控剂流通。5.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的整形修复装置，其特征在于，所述燃料电池膜电极的整形修复装置还包括：定位结构，设置在所述第一夹持面(101)和所述第二夹持面(201)的至少一个上，所述定位结构能够对膜电极的位置进行定位。6.根据权利要求5所述的燃料电池膜电极的整形修复装置，其特征在于，所述定位结构位于所述膜电极的气体扩散层的外侧，所述定位结构与所述膜电极的边框定位配合。
7.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的整形修复装置，其特征在于，所述燃料电池膜电极的修复整形装置还包括：架体(50)，所述第一夹持部(10)和所述第二夹持部(20)相对设置在所述架体(50)上，所述第一夹持部(10)可相对所述架体(50)滑动；驱动件(60)，设置在所述架体(50)上，所述驱动件(60)与所述第一夹持部(10)驱动配合，以调节所述第一夹持部(10)和所述第二夹持部(20)之间的间距。8.一种燃料电池膜电极的整形修复方法，其特征在于，所述燃料电池膜电极的整形修复方法应用权利要求1至7中任意一项所述的燃料电池膜电极的整形修复装置，所述整形修复方法包括以下步骤：步骤1：预压，将待修复的膜电极放置在所述燃料电池膜电极的整形修复装置的第一夹持面(101)和第二夹持面(201)之间，调节所述第一夹持面(101)和所述第二夹持面(201)之间的间距，以使所述第一夹持面(101)和所述第二夹持面(201)配合并对所述膜电极进行夹持，以使所述第一夹持面(101)和所述第二夹持面(201)之间的间距达到d1，d1设置在膜电极设计厚度的1倍至1.2倍；步骤2，加湿，向所述整形修复装置的加湿结构中通入加湿流体，使得加湿流体由所述加湿结构的加湿流体喷口喷出以对所述膜电极进行加湿；步骤3，加温，在加湿的同时或者加湿之后，通过所述整形修复装置的温度调节结构对所述夹持空间进行加温，以使所述夹持空间内的温度达到第一预设温度，所述第一预设温度设置在70℃至95℃；步骤4，冷却，所述夹持空间内的温度达到所述第一预设温度后，通过所述温度调节结构对所述夹持空间进行降温，以使所述夹持空间内的温度降低至第二预设温度，所述第二预设温度设置在-40℃至50℃。9.根据权利要求8所述的燃料电池膜电极的整形修复方法，其特征在于，步骤3还包括：在加温的过程中，进一步减小所述第一夹持面(101)和所述第二夹持面(201)之间的间距，以使所述第一夹持面(101)和所述第二夹持面(201)之间的间距达到d2，d2设置在膜电极设计厚度的0.7倍至0.9倍。10.根据权利要求9所述的燃料电池膜电极的整形修复方法，其特征在于，步骤3还包括：当所述夹持空间内的温度达到所述第一预设温度后，维持所述第一夹持面(101)和所述第二夹持面(201)之间的间距d2持续2min以上。11.根据权利要求8所述的燃料电池膜电极的整形修复方法，其特征在于，所述燃料电池膜电极的整形修复方法还包括：步骤5，在所述第一夹持面(101)上设置第一密封件(31)，在所述第二夹持面(201)上设置第二密封件(32)，通过设置所述第一密封件(31)的所述第一夹持面(101)和设置所述第二密封件(32)的所述第二夹持面(201)对所述步骤4所得的膜电极进行夹持，并重复执行所述步骤1至所述步骤4。

技术总结
本发明提供了一种燃料电池膜电极的整形修复装置及方法，其包括：夹持组件，包括第一夹持部和第二夹持部，第一夹持部具有第一夹持面，第二夹持部具有第二夹持面，第一夹持面和第二夹持面相对设置，且第一夹持面和第二夹持面之间的间距可调，第一夹持面和第二夹持面之间的空间形成夹持空间，第一夹持面和第二夹持面配合以对膜电极进行夹持；加湿结构，加湿结构具有加湿流体喷口，加湿流体喷口与夹持空间连通，加湿流体喷口能够喷出加湿流体以对膜电极进行加湿；温度调节结构，设置在夹持组件上，温度调节结构用于调节第一夹持部和第二夹持部的至少一个的温度，以调节夹持空间内的空气的温度。的温度。的温度。


技术研发人员：潘昱轩 常磊 徐敏 张宁远 王小惠 翟博文 郑言贞 陈沫涵 张萌
受保护的技术使用者：国家电投集团氢能科技发展有限公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/7