專利名稱：用于切割燃料電池材料層的柔性切割模裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及切割模，具體地說涉及用來切割諸如燃料電池材料層一類相對較薄材料層的切割模與切割臺。
背景技術：
已經開發(fā)出了各種切割模，用來切割各種各樣材料和在其上打孔。一種切割模裝置被稱之為旋轉切割模。旋轉模一般安裝在磁鋼滾輪上。這些鋼質滾軸為切割模提供牢固的支撐。旋轉切割模頂著鋼質砧輥進行切割。
另一種切割模裝置稱之為臺板模。臺板模包括一個切割模與一個砧板，它們在力的作用下軸向接觸。臺板模與旋轉模臺有許多用途。然而，常規(guī)旋轉式與臺板式切割模裝置的固有缺點使得這些切割裝置在切割厚度約0.001英寸相對較薄材料層時性能較差。
因此需要改進切割裝置，使其良好適應切割諸如制作燃料電池所用的一類相對較薄的薄層材料。另外還需要改進的切割裝置，它能發(fā)揮旋轉式與臺板式切割模裝置的特點。本發(fā)明就是要滿足這些以及其它的需要。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種切割裝置，用臺板模臺切割相對較薄的平面材料層。本發(fā)明的切割裝置特別適合于切割制作燃料電池用的薄層材料。根據一個實施方式，切割裝置是個具有基本上平的第一面和基本上平的第二面的模。切面從所述模第一表面凸出。
切割裝置還包括至少一個從所述模的第一面凸出的支承面。支承面的高度基本上等于切面高度，因此當切面和支承面移動到與臺板模臺的砧面接觸位置時可阻止切面的損壞。一層或多層諸如聚乙烯、聚丙烯的柔性材料可以與模的第二面接觸，為切割裝置提高柔順性。
根據另一實施方式，臺板模組合件裝有用來切割相對較薄平面材料層的切割裝置。該中板模組合件包括第一板與第二板。第二平板包括一個砧面。第一板與第二板被排列成可以在其間作相對運動。
臺板模組合件的模包括基本上平的第一面與基本上平的第二面。模的第二面被固定在第一板上。有個切面從模的第一面突出。至少一面支承面從模的第一面凸出。支承面的高度基本上等于切面的高度。
一個可控的致動裝置引發(fā)第一板與第二板之間的接觸。當切面和支承面在壓力作用下移動到接觸第二板的砧面時可阻止支承面對切面的損壞。一層或多層柔性材料置于模的第二面與第一板之間，為切割裝置提高柔順性。
本發(fā)明概述并不打算描述本發(fā)明的每個各實施方式或每個裝置。本發(fā)明的優(yōu)點和成就，連同對本發(fā)明的更完整理解將通過下面的詳細描述與附圖以及權利要求的顯得更為清晰和明白。
附圖簡要說明

圖1是燃料電池和它的構成材料層的說明；圖2是按照本發(fā)明一個實施方式，使用切割結構與支承座止動結構的切割模的說明；圖3是圖2所示切割模的另一個視圖；圖4是按照本發(fā)明一個實施方式的具有切割結構與支承座止動結構的切割模的切割模臺的說明。
本發(fā)明適合于進行各種修改與變化，它們的特性將用附圖中的實施例方式予以表明并加以詳述。然而，可以理解，本發(fā)明并不限制所述的特定實施方式。正好相反，本發(fā)明包括所有落在本發(fā)明所附權利要求所限定的范圍內的所有修改、等價內容與變化。
實施方式的詳細說明在下面說明性實施方式的描述中，可參見作為本發(fā)明一個部分的附圖，通過圖示，本發(fā)明的各實施方式就可以實現?？梢岳斫?，在不偏離本發(fā)明的范圍內，可以利用這些實施方式并做出各種結構性改變。
本發(fā)明切割模裝置可用來切割相對較薄的材料層，例如，本發(fā)明的切割模裝置特別適合于切割構成燃料電池用的材料層。構成燃料電池用的材料層的厚度約為0.001英寸。這一類材料可具有各種不同孔隙率，脆性也各不相同。本領域技術人員很容易理解，準確可靠切割諸如燃料電池構成材料一類的薄型材料是極其富于挑戰(zhàn)性的。
本發(fā)明切割模裝置有效地利用了旋轉切割模幾個有益特點，并將這些特點用于印壓機中。此外，本發(fā)明切割模裝置還在切割模上帶有一個或多個止動裝置或支承座。內裝式支承座能用來控制使用本發(fā)明切割模裝置的印壓機的沖程。將一個或多個止動裝置或支承座裝入切割模中能有利地排除在切割模外部排列制動裝置的需要。這一類外部止動裝置既昂貴，還要求有經驗的機械師在每次更換切割模后進行仔細調整。
按照本發(fā)明一個實施方式，切割模裝置的支承座的高度與切割模裝置的切面的高度匹配。由于在切割模上的支承座與切面的高度是匹配的，因此，切面破損的危險性即使不能消除的話也大大下降了。
常規(guī)臺板模裝置往往采用諸如尼龍一類犧牲性柔軟材料作為接受面(即砧面)，在切割沖程的末尾處與切割模的切面接觸。盡管這種方法減少了切面不希望發(fā)生的壓壞的可能性，但尼龍接受面相對柔軟性使得當對厚度在0.001英寸左右的相對較薄的材料層進行切割時其支承與穩(wěn)定度顯得不足。
由于在切割模上支承座與切面的高度是匹配的，因此采用本發(fā)明的切割模裝置的印壓機的接受面或砧面可以用硬質材料，如適用于砧面的高強度金屬制成。將支承座與切面一起裝在本發(fā)明切割模裝置上，就可以采用硬質砧面，它可用來切割非常薄的材料層，這是旋轉式切割模的有利特點，是常規(guī)臺板式切割模切割技術所不具備的。
按照本發(fā)明另一個實施方式，切割模裝置可以在切割模裝置的非切面與印壓機表面之間設置一層薄的柔軟材料。本領域技術人員可以清楚地理解采用某些其切面高度隨切面長度而變化的切割模切割諸如厚度在0.001英寸左右的燃料電池材料層會產生問題。例如，有種切割模的切面高度變化約0.0005英寸。這種切面高度的變化大多是由于切割模制造工藝精度差造成的。按照本發(fā)明的實施方式，可對切割模裝置提高一定程度的柔順性。通過在切割模背后加上稍有柔性的支承座，就可以干凈利落切割很薄材料，且切割模高度的稍許變化可以獲得補償，不會造成對切割工藝造成不利影響。而且，切割模背后的柔性材料可使得能頂著硬質砧面切割極薄材料。
本發(fā)明切割模裝置可用于自動切割構成燃料電池或其一部分的材料層。燃料電池是一種將氫氣燃料與空氣中的氧結合而產生電、熱與水的電化學裝置。燃料電池不利用燃燒，因而燃料電池幾乎不排放任何有害物質。燃料電池將燃料氫與氧直接轉化成電，其工作效率遠高于例如內燃發(fā)電機。
圖1所示是一個典型的燃料電池。圖1所示的燃料電池10包括鄰近于負極14的第一流體輸送層。鄰近負極14的是一個電解質膜16。正極18位于靠近電解質膜16的位置，且第二流體輸送層19位于正極18的附近。在操作中，燃料氫進入燃料電池10的負極區(qū)，經過第一流體輸送層12到達負極14。在負極14上，燃料氫離解成氫離子(H+)和電子(e-)。
電解質膜16僅允許氫離子或質子通過電解質膜到達燃料電池10的正極區(qū)。電子不能通過電解質膜16，電子則流經外電路而形成電流。這種電流可以為電負載17如電動機提供能量，或直接輸給如可充式電池一類的儲能裝置。
氧通過第二流體輸送層19流入燃料電池10的正極區(qū)。當氧流到正極18時，氧、質子、與電子復合成水并產生熱量。
如圖1所示的各個燃料電池可以與幾個其它燃料電池連成一個燃料電池堆。電池堆中燃料電池的數目決定電池堆的總電壓，而各個電池的表面積決定總電流。一個給定燃料電池堆產生的總電功率由電池堆的總電壓乘以總電流決定。
本發(fā)明切割模裝置便于自動切割用各種技術構成燃料電池的材料層。例如，本發(fā)明切割模裝置可用來切割構成質子交換膜(PEM)燃料電池的材料層。PEM燃料電池在相對較低溫度下(約175°F)工作，具有較高能量密度。能迅速改變其輸出，滿足能量要求的變化，且能很好地適用于要求快速起動的應用場合，如汽車等。
用于PEM燃料電池的質子交換膜是一個薄塑料片，它允許氫離子通過，用很細的金屬或合金顆粒(如鉑或鉑/釕)作活性催化劑涂覆在該膜的兩面。采用的電解質通常為固體聚合物有機聚全氟磺酸，采用固定電解質是有利的，因為它省卻了腐蝕與操作上的問題。
氫被送入燃料電池的負極區(qū)，在其中催化劑促使氫離子放出電子成為氫離子(質子)。電子以電流形式流動，被利用后，回到燃料電池的正極區(qū)，在此正極區(qū)引入氧氣。同時，質子擴散穿過膜而到達正極，在那里氫離子與氧反應結合成水。
按照一種PEM燃料電池結構，PEM層夾在一對流體輸送層(FTL)之間，如擴散集流層或氣體擴散層之間。負極位于第一FTL和交換膜之間，而正極位于交換膜與第二FTL之間。在一種構型中，PEM層被制作成在其一面有負極催化劑涂層，另一面有正極催化劑涂層。根據另一種構型，第一與第二FTL層被制作成分別有負極與正極，催化劑涂層。在還有另外一個構型中，負極催化劑涂層一部分位于第一FTL層上，另一部分位于PEM的一面上，而正極催化劑涂層一部分位于第二FTL層上，另一部分位于PEM的另一面上。第一FTL/負極/PEM/正極/第二FTL這五層結構被稱之為膜電極組(MEA)。
FTL通常由碳纖維紙或非織造材料制作。取決于產品的結構，FTL層的一面上可以有碳粒涂層，如上面討論，FTL可以制作成包括或不包括催化劑涂層。按照這種產品結構，FTL為多孔且脆性的。按照本發(fā)明原理的切割模裝置在自動化燃料的組裝過程中，特別適合于準確切割薄的燃料電池各材料層，如PEM層與FTL層。
直接甲醇燃料電池(DMFC)類似于PEM燃料電池，這兩種電池均采用聚合物膜作電解質。然而，在DMFC中，負極催化劑本身從液態(tài)甲醇燃料中得到氫，用不著燃料重整裝置。DMFC通常在120-190℃溫度之間工作。
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)利用碳酸鋰、鈉和/或鉀的溶液，這種溶液浸漬在一種基質中作電解質。MCFC在約1200°F下工作。需要這樣高的工作溫度為的是使電解質有足夠高的電導率。因為溫度高，所以不需用貴金屬催化劑來啟動電池的電化學氧化還原過程。MCFC一般用的是氫、CO、天然氣、丙烷、陸地填埋(landfill)氣、船舶柴油與人造煤氣產品。
固體氧化物燃料電池(SOFC)一般采用含固體氧化鋯與少量氧化釔的硬質陶瓷材料來代替液態(tài)電解質，工作溫度可高達1800°F。
在再生式燃料電池中，水經太陽能電解器分解成氫氣與氧氣。氫與氧輸入再生式燃料電池后產生電能、熱與水，水被循環(huán)返回太陽能電解器，這個過程可重復進行下去。
質子陶瓷燃料電池(PCFC)采用在高溫時質子傳導率較高的陶瓷電解質材料。PCFC在約1300°F下工作。PCFC可以在高溫度下工作，能以電化學方式在負極上將礦物燃料直接氧化。烴類燃料的氣態(tài)分子在水蒸氣存在條件下被吸附于負極表面，氫離子被有效地脫離并被電解質吸收，二氧化碳是主要產物。也可以構成這些與其它一些技術的燃料電池，它們的材料層用本發(fā)明切割模裝置進行切割。
現在將注意力轉向圖2與圖3，這兩個圖是本發(fā)明一個實施方式的切割模裝置40的說明。圖2與圖3所示切割模裝置40包括一個完全平整的?；?1，模基41的頂面42上有切面44，它從頂面42突出。盡管圖2與圖3顯示的是單切面44，但頂面42上可以有兩個或多個切面44。
切面44具有一個連續(xù)刃口。按照一種構型，如圖2與圖3所示切面44那種情況，切面基本上呈正方形。切面44也可以呈矩形。根據另一構型，切面44可以呈橢圓形或圓形。由切面44包圍的切割區(qū)域45的形狀決定了由切面44切割下來的材料層的大小和形狀。切面44的形狀可按照意要用切割模裝置40切割的材料形狀進行改變。
按照其它實施方式，切面可以做成非連續(xù)刃口。例如，切面44可以包括1個或多個孔，諸如孔洞、裂口或其它非連續(xù)體。切面44可以由各種形狀刃口封閉而成。通過進一步舉例說明，切面44上可以包括單獨一個大矩形刃口，還有幾個小的圓形或橢圓形刃口。可以理解在本發(fā)明范圍內可以預期有各種各樣切面構型。
切面44最好與切割模裝置40的頂面42形成一個整體?；蛘撸忻?4可以單獨形成，隨后采用已知技術安裝在頂面42上。切面44相對于?；趁娴母叨茸詈脼?.02-0.08英寸。
在圖2與圖3所示構型中，正方形連續(xù)切面44的兩個對邊之間距離為6英寸。切割模裝置的長度約為15英寸，寬度約為15英寸；按照此構型，切割模裝置40的最大厚度是切割模模基41的厚度加上切面厚度44，約為0.04英寸?？梢岳斫?，上面引用的尺寸僅作說明之用，并不限于此尺寸。
切割模裝置40還包括1個或多個支承座或止動裝置46。支承座46被顯示從切割模裝置40的頂面42凸出。一個或多個定位裝置48如定位孔位于一個或多個支承座上。定位裝置48用來準確對齊切割模裝置與印壓機所采用的砧面?？梢岳斫?，如本領域所知，也可以采用定位孔以外的定位裝置48。而且可以理解定位裝置48不一定位于支承座46上，它可以處于切割模裝置40上的其它位置。
支承座46最好連同切割模裝置40的頂面42一起成形?；蛘撸С凶?6可以另外成形，隨后安裝到頂面42上。各支承裝置46相對于?；?1的背面的高度較佳在0.02-0.08英寸之間。
如圖2與圖3的實施方式所示，?；?1包括第一、第二第、三和第四邊61、62、63、64，其中第一邊61與第二邊62分別對著第三邊63與第四邊64。切面44包括第一、第二、第三和第四刃口51、52、53、54，其中第一與第二刃口62分別對著第三刃口63與第四刃口64。第一支承座46a位于?；?1的第一邊61與第一刃口51之間，而第二支承座46b位于?；?1的第三邊63與切面44的第三刃口53之間。
取而代之或添加的是第三支承座(未顯示)可位于?；?1的第二邊62與第二刃口52之間，而第四支承座(未顯示)位于模基41的第四邊64與切面44的第四刃口54之間。頂面42上一個或多個支承座46的位置可以有變化，視需要與要求而定。
包括切面44與一個或多個支承座46的切割模裝置最好由高強度材料或金屬，如硬化鋼(如彈簧鋼)制成。切面44可經過淬火處理，使其硬度大于?；?1和/或支承座46的硬度。
如前面所討論的，各支承座46相對?；?1背面的高度基本上等于切面44的高度。在一個特定用途中，支承座46與切面的高度在0.02-0.08英寸，約0.04英寸為特別適用的高度。
通過在模基41的背面與印壓機表面之間加上一層薄的柔性材料使得刀模裝置40帶有柔韌性。可采用一層、二層或多層柔性材料。柔性材料最好由聚合物材料，如聚乙烯或聚丙烯形成。每一層柔性材料的厚度最好在0.002-0.008英寸之間。
現在來看圖4，它說明裝有本發(fā)明切割模裝置40的印壓機50的一個實施方式。由于本發(fā)明切割模裝置裝有一個或多個支承座或止動裝置46，因此不需要在印壓機上安裝昂貴的外部沖程止動裝置，而這一類止動裝置在每次更換切割模時都需要有經驗的機械師對它的止動進行仔細調整。
圖4所示的印壓機50包括基板52，其上附有數個支柱60，連在支柱60上還有頂板54?；迮c頂板52、54通常為固定結構?；?6以滑動方式與支柱接合，能在基板與頂板52、54之間滑動。滑板56的移動受安裝在頂板54上的致動裝置58控制。致動裝置58通常是個氣動或液壓的致動裝置，能控制使滑板56朝向或離開基板52而運動。致動裝置58由合適的控制裝置控制。
印壓機50的基板54有個砧面65。如前所述，砧面65由硬質材料，如硬化金屬制成。在要切割極薄材料時。理想的是在切割模裝置40的背面與滑板56鄰近的支撐面之間有一層或多層柔性襯墊49。在一種用途中，在切割模裝置40背面與滑板56的鄰近支撐面之間有二層柔性材料襯墊49，每層厚度為0.004-0.006英寸。
在操作中，要被切割的薄層材料合適地置于基板52的砧面65上。一個控制信號，可以是液壓、氣動或電信號通到致動裝置58上。響應此控制信號，致動裝置58推動滑板56和切割模裝置40朝砧面65移動。當切割模裝置40與擱在或以其他方式(如直空)固定在砧面65上的材料層接觸時，由致動裝置58產生的力引起切割模裝置40的切面44切穿材料層。
滑板56在致動裝置58產生的力的作用下，繼續(xù)朝砧面65移動直至支承座46接觸到該砧面65時為止。由于支承座46的高度與切面44的高度基本上相同，因此切面44稍一接觸砧面65就完成了對材料的切割動作，而因支承座46與砧面65之間接觸，阻止了切面進一步朝砧面移動，因而避免了切面44的損壞。
材料被切割以后，一個控制信號通知致動裝置58，將滑板56退回到與砧面65分離的位置。然后自動或手動從砧面65上取出被切割下來的材料層?？芍貜蜕鲜銮懈钸^程進行材料切割。
上面所述本發(fā)明各實施方式僅為敘述性的，它不是全部，也不打算將本發(fā)明限制于這里所述的具體實施方式
。上述內容可以有許多修改與變化。并要將本發(fā)明的范圍限制于這些詳細描述，而是受這里所附的權利要求的限定。
權利要求
1.一種用臺板模切割相對較薄平面材料層所用的切割裝置，該裝置包括具有基本上平的第一面和基本上平的第二面的模；從模的第一面凸出的切面；至少一個從模的第一面凸出的支承面，所述支承面的高度基本上等于切面的高度，因此當切面和支承面移動到與臺板模的砧面接觸位置時，所述支承面可阻止切面的損壞。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，一個支承面從模的第一面凸出。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，第一支承面靠近切面的第一邊，而第二支承面靠近切面的第二邊。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述模包括第一、第二、第三和第四邊，第一和第二邊分別對著模的第三與第四邊，第一支承面靠近模的第一邊，而第二支承面靠近模的第三邊。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，第三支承面靠近模的第三邊，而第四支承面靠近模的第四邊。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述切面有連續(xù)的刃口。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述切面有非連續(xù)的刃口。
8.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述切面基本上正方形或矩形。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述切面基本上呈圓形。
10.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述切面包括一個外刃口和一個或多個分別位于外刃口之內的內刃口。
11.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述切面與模形成一個整體。
12.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述模、切面和至少一個支承面分別用高強度金屬制成。
13.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，至少一個支承面有個定位裝置，所述定位裝置位于至少一個支承面上，與臺板模上的定位裝置對齊。
14.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，所述定位裝置包括至少一個定位孔。
15.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述支承面和切面的高度分別在0.02和0.08英寸之間。
16.如權利要求1所述的裝置，它還包括與模的第二面接觸的一層或多層柔性材料層。
17.如權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述柔性材料是聚合物材料。
18.如權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述柔性材料是聚乙烯或聚丙烯。
19.如權利要求16所述的裝置，其特征在于，每層柔性材料層的厚度為0.002-0.008英寸。
20.切割相對較薄平面材料層用的臺板模組合件，包括第一板與第二板，第二板包括砧面，第一板與第二板排列成可以在其間作相對運動；具有基本上平的第一面和基本上平的第二面的模，所述模的第二面固定在第一板上；從所述模第一面凸出的切面；從所述模第一面凸出的至少一個支承面，所述支承面的高度基本上等于所述切面的高度；實現第一和第二板之間接觸的致動裝置，當切面與支承面在壓力作用下移動到與第二板的砧面接觸位置時，支承面可以阻止切面的損壞。
21.如權利要求20所述的臺板模組合件，其特征在于，一個支承面從所述模的第一面凸出。
22.如權利要求20所述的臺板模組合件，其特征在于，第一支承面靠近切面的第一邊，而第二支承面靠近切面的第二邊。
23.如權利要求20所述的臺板模組合件，其特征在于，所述模包括第一、第二、第三和第四邊，第一和第二邊分別對著模的第三與第四邊，第一支承面靠近模的第一邊，而第二支承面靠近模的第三邊。
24.如權利要求23所述的臺板模組合件，其特征在于，第三支承面靠近模的第三邊，而第四支承面靠近模的第四邊。
25.如權利要求20所述的臺板模組合件，其特征在于，所述切面具有連續(xù)的刃口。
26.如權利要求20所述的臺板模組合件，其特征在于，所述切面具有非連續(xù)的刃口。
27.如權利要求20所述的臺板模組合件，其特征在于，所述切面基本上呈正方形或矩形。
28.如權利要求20所述的臺板模組合件，其特征在于，所述切面基本上呈橢圓形或圓形。
29.如權利要求20所述的臺板模組合件，其特征在于，所述切面具有外刃口和一個或多個分別位于外刃口之內的內刃口。
30.如權利要求20所述的臺板模組合件，其特征在于，所述切面與模形成一個整體。
31.如權利要求20所述的臺板模組合件，其特征在于，所述模、切面和至少一個支承面分別用硬化金屬制成。
32.如權利要求20所述的臺板模組合件，其特征在于，至少一個支承面包括一個定位裝置，所述定位裝置位于至少一個支承面上，與第二板上的定位裝置對齊。
33.如權利要求20所述的臺板模組合件，其特征在于，所述支承面和切面的高度在0.02和0.08英寸之間。
34.如權利要求20所述的臺板模組合件，它還包括位于模的第二面和第一板之間的一層或多層柔性材料層。
35.如權利要求34所述的臺板模組合件，其特征在于，所述柔性材料是聚合物材料。
36.如權利要求34所述的臺板模組合件，其特征在于，所述柔性材料是聚乙烯或聚丙烯。
37.如權利要求34所述的臺板模組合件，其特征在于，每層柔性材料層的厚度為0.002-0.008英寸。
全文摘要
一種用臺板模切割相對較薄平面材料層所用的切割裝置，如構成燃料電池用的薄型材料。該切割裝置包括具有基本上平的第一面和完全平的第二面的模。切面和至少一個支承面分別從所述模的第一面上凸出。所述支承面的高度基本上等于切面的高度，因此當切面和支承面移動到與臺板模臺的砧面接觸位置時，支承面可阻止切面的損壞。一層或多層諸如聚乙烯或聚丙烯一類的柔性材料層可以安置與模的第二面接觸，增加所述切割裝置的柔韌性。
文檔編號B26F1/40GK1646276SQ03807730
公開日2005年7月27日 申請日期2003年2月11日 優(yōu)先權日2002年4月3日
發(fā)明者L·E·畢西莫 申請人:3M創(chuàng)新有限公司