CN101183717A - 一种用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置，包括有上压板、上模、定位框、下模、下压板、定位导柱和弹开弹簧，上模由上模头、上模座构成，上模头和膜电极接触的面中心设有扩散层的定位凹槽，用以定位膜电极的第一扩散层，所述的下模由下模头和下模座构成，其结构同上模，下模头定位膜电极的第二扩散层；上、下模之间有定位框，定位框中心孔用于定位离子交换膜；下压板上设有至少两根定位导柱，定位导柱以顺序将上压板、上模、定位框、下模、下压板对齐定位在一起；弹开弹簧分别置于压板和上、下模之间以及上模和下模之间。本发明的压合模具装置便于将扩散层、离子交换膜定位、对齐，压制膜电极方便、快速、节能。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池电极的制备方法。
背景技术
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转变为电能的电化学装置。它不受卡诺热机循环的限制，能量转换效率高，无污染、无噪音、使用寿命长，因此在航天，交通，移动电源等领域有着广泛的应用前景。
燃料电池的核心部件是膜电极(MEA)，它是燃料和氧化剂发生电化学反应产生电能的场所。单个膜电极如图1所示，它有离子交换膜1，离子交换膜1的两侧分别是阴极催化层2与阳极催化层2’，阴、阳极催化层的外侧分别是阴极扩散层3与阳极扩散层3’。催化层可以通过刷涂、喷涂、丝网印刷等方法制备在阴阳极扩散层上或通过刷涂、喷涂、丝网印刷、转印等方法直接制备在离子交换膜上，然后将带有催化层的扩散层和离子交换膜或将扩散层和带有催化层的离子交换膜切割到适当尺寸，对齐层叠在一起在一定温度和压力下热压、冷却定型形成膜电极(MEA)，只有阴、阳两极催化层和扩散层垂直重叠的部分才是膜电极的真正有效活性面积。此外，由于单个燃料电池的电压较低，通常要将多节单电池按压滤机方式组合成电池组对外供电，其结构如图2所示，MEA21夹在极板22、双极板23中间，MEA21的周边和极板之间用密封垫24匹配密封，重复21、23、24直至所需节数。如果MEA两侧的扩散层或催化层任意一对垂直对齐偏差过大，不仅减小了实际的活性面积，而且给MEA在电池组中的密封定位带来不便，甚至偏差过大造成扩散层的边缘正好处在极板流道中间，在压紧力的作用下，扩散层会形变剥离离子交换膜，坍陷入流道，堵塞物料或氧化剂在流道中的传递，降低电池的性能，在电池组中会造成被堵塞的电极出现过早的传质极化，以至该节电池出现反压，烧毁电极现象。因此保证MEA中各层的垂直偏差在一定的公差范围之类，对燃料电池电池组的组装和性能来说至关重要。
专利1[CN1689181A]介绍了一种能够热压和转移膜电极这类具有薄膜材料部件的夹具和方法。利用两层带孔的平板来定位能够和扩散层、离子交换膜热溶或压合到一起的一种薄膜，薄膜上开有和扩散层形状相似但大小略小的孔。首先将阳极扩散层和阴极扩散层分别胶结或热压在薄膜上，并使扩散层完全覆盖住薄膜孔，再将二者用平板框对齐，中间夹上离子交换膜一起热压形成膜电极。其优点是薄膜可以完全覆盖保护住膜电极，方便搬移，容易实现自动化生产。但这种利用薄膜上的孔来定位扩散层的方法并不可靠和精确，薄膜本身容易变形，扩散层又完全覆盖在薄膜上热压时很容易滑动，并且最后制备的膜电极在扩散层和离子交换膜之间由于隔着一层薄膜而形成一个台阶，影响扩散层、催化层、离子交换膜的接触。而三者的接触电阻对电池的放电性能有极大的影响
专利2[CN 1653639 A]介绍了一种使压合后的膜电极脱离压合模具的装置和方法。利用机械机构轮流稳定压合模具上下模板，并用模板上的微孔对膜电极上下表面施加压力和抽真空使得膜电极脱离上下压合模板，再用机械抓握装置移离上模板，从下模板取出膜电极。该方法能够实现自动化的将膜电极从压合模具中取出。但这种自动化机械抓握手臂结构复杂，制造成本高，尤其对于小批量和单件生产现实意义不大。3[CN19977415A]提出了一种利用压辊热压离子聚合物、催化剂层，扩散层和保护性薄膜层，制造整体膜电极组件的层合方法。主要创新点在于在辊轴表面涂敷有聚合物弹性体，可以使压合力分布的更加均匀，从而消除扩散层表面高度差、保护性薄膜边框产生的台阶状高度差对压合的影响，一次性实现膜电极所有部件的压合。这种方法制备膜电极方便快捷，但仍然未能解决膜电极各个部件的准确定位问题，由于是滚动压合，膜电极在高温状态下就很快脱离了压合面，压合温度一般控制在离子交换膜的玻璃化转变温度，此时扩散层、催化层和离子交换膜的结合是不稳定的，所以该方法不能保证膜电极结合的可靠性，因为一般要将膜电极在压合状态下冷却到较低的温度再脱模，才能保证膜电极结合的可靠性。
发明内容
针对现有技术的不足，为克服以上问题，同时降低加工成本，本发明设计开发出一种能够实现膜电极各个组成部件精确对齐定位，可控压缩比，现场快速冷却定型、脱模的加温热压装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置，包括有上压板、上模、定位框、下模、下压板、定位导柱和弹开弹簧，所述的上模由上模头、上模座构成，上模座用于固定上模头，中心设有上模头定位凹槽，上模头定位凹槽和上模头之间滑动配合，通过螺钉将上模头固定于上模座的凹槽中，在上模头和上模座凹槽的接触面之间有密封垫圈，上模头和膜电极接触的面中心设有扩散层的定位凹槽，用以定位膜电极的第一扩散层，上模座和上模头的两凹槽之间设有贯穿的阵列小孔，上模座上还设有与真空源连接的真空通道和接通液体冷却介质的冷却流道及接口，真空通道连通凹槽，真空源通过真空通道、上模头的阵列小孔对扩散层施加真空；所述的下模由下模头和下模座构成，其结构同上模，下模头定位膜电极的第二扩散层；上、下模之间有定位框，定位框中心孔用于定位离子交换膜；下压板上设有至少两根定位导柱，上压板、上模座、下模座上有与定位导柱匹配的定位孔，定位导柱以顺序将上压板、上模、定位框、下模、下压板对齐定位在一起；弹开弹簧分别置于压板和上、下模之间以及上模和下模之间。热压时将膜电极的各层置于压合模具相应定位位置，放入热压机一次热压层合，然后张开热压机到一适当位置，压板和上、下模之间的弹簧将上、下压板弹离上、下模，冷却定型，进一步张开热压机，上模和下模之间的弹簧将上下模弹开，取出定位框，从下模脱离膜电极。
上述的用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置，所述的下模头的侧面设有深入中心的小孔，用于放置热电偶或热电阻等测温传感器，测量热压时膜电极界面的实际温度。
上述的用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置，所述的模座可以在不改动模座的其它构件的情况下，更换具有外形尺寸相同而扩散层定位凹槽的尺寸、外形、数量不同的上、下模头即可实现不同尺寸、不同外形的膜电极压合和同一张离子交换膜上制备多个膜电极
上述的用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置，所述的定位导柱由耐高温的非导热材料包覆金属杆制成。
上述的用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置，所述的弹开弹簧用于弹开压板与上下模以及弹开上模与下模，并使得模具压合时，上下压板尚未接触到上、下模座时，上、下模和定位框已完全接触，以保证在开模时，在上下模尚在合模状态下，上、下压板已脱离上、下模座，如此上、下模座通入冷却液进行冷却，能迅速冷却模座和模头，而上、下压板仍能保持温度，在加工下一模时，节约了能耗。
本发明的用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置有如下优点：
1、采用带有凹槽的上、下模头并用真空的方法定位扩散层，用具有压缩限位功能的定位框定位离子交换膜，不仅可靠地保证了扩散层、催化层和离子交换膜的垂直对齐，而且有效的保护了膜电极。
2、上、下模采用模头镶嵌于模座并且可拆卸的结构，在仅仅更换模头，改变模头凹槽形状的情况下，即可实现不同形状、活性面积膜电极的热压，也可一模制备多个膜电极。模具部件的通用性、互换性强，降低了生产和维修成本，易于实现批量生产。
3、利用选配不同参数的弹簧，方便快捷的实现了上、下模和上下压板弹开时的工作位置控制，使得上、下压板脱离上、下模时，上、下模仍可处于压合状态，在模具不移离热压设备的情况下即可对上、下模冷却，所需冷却的范围小，节能并提高了工作效率。
4、上、下模的模座设有可以通过冷却介质的冷却流道，可以控制模具的冷却速度，从而获得更好的膜电极界面结构。比一般将模具置于冷却板中自然冷却，效率更高，并且可控。
附图说明
图1为膜电极结构示意图。。
图2为电池组结构示意图。
图3为热压模具的结构剖视示意图。
图4为热压模具工作过程示意图。
图5为实施例一的实际热压模具整体轴侧分解视图。
图6为实施例一的模座和模头模块轴侧分解视图。
图7为实施例二的模座和模头模块轴侧图。
上述的附图与下列的实施例一起来说明本发明的原理，本领域技术人员将认识到，可以以各种方式修改所述的示例性实施例，而不背离本发明的宗旨或范围。因此，附图和描述应当认为本质上是说明性的，而非限制性的。
具体实施方式
实施例一、
本发明的用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置，如图3所示，它包括：上压板31、上压板和上模模块脱离弹簧32、上模座33、上模头34、上、下模模块脱离弹簧35、定位框36、下模头37、下模座38、下压板和下模模块脱离弹簧39、下压板40、定位导柱41、上、下模头和上、下模座密封垫圈42、44。图中31、33、38、40都设有和定位导柱41为滑动配合的定位通孔。上、下模头34、37两面中心都设有凹槽，并分别设有和两个凹槽相贯穿的阵列小孔34a和37a，孔径介于0.3-0.8mm。两者和膜电极43接触的凹槽是用来定位扩散层，其尺寸和扩散层尺寸完全一致，其周边尺寸取扩散层的上偏差，凹槽深度为扩散层厚度的90％-94％。除了定位功能，上下模头向膜电极传递热量和压力，由于离子交换膜有腐蚀性，所以上、下模头应该采用耐腐蚀、高导热的金属材料如不锈钢或钛。下模头还设有安装温度传感器的小孔37b，以控制膜电极的界面温度在130℃-190℃。定位框36中心开有和膜电极43的离子交换膜周边尺寸完全一致的通孔，尺寸取离子交换膜周边尺寸的上偏差，并且和上、下模头形成滑动配合。高度为2*模头凸出模座的尺寸+离子交换膜的厚度+阳极扩散层厚度*(1-压缩比率)+阴极扩散层厚度*(1-压缩比率)，以控制膜电极扩散层的压缩率，使其控制在6％-10％。定位框36的侧面设有孔36a，以便温度传感器穿过。定位框36要和膜电极接触，应采用不锈钢或钛制造。上、下模座33和38分别用于固定上、下模头34和37，向其传递热量和压力。二者中心设有和模头之间构成滑动配合的凹槽，通过螺钉将模头固定于模座凹槽中，在模头和凹槽的接触面之间有密封垫圈42和44，用于密封模头和模座的接触界面。上、下模座33和38上还分别设有可以与真空源连接的真空通道33b和38a以及能够通过液体冷却介质的冷却流道33a和38b。真空源通过真空通道33b、孔34a和真空通道38a、孔37a对膜电极上下两侧扩散层分别施加真空以方便扩散层这类薄片部件的定位。冷却介质实现上、下模的快速冷却。为防止冷却液对模座的腐蚀，上、下模座也应采用不锈钢或钛这类耐腐蚀的金属材料。上、下压板31和40，用于向上、下模施加压力和传递热量，压板31和40都设有凸台，以构成安装弹簧32和39的高度空间。压板用高导热的金属材料制成如铝合金、不锈钢、钛或铜。上、下压板和上、下模座上都设有多对和定位导柱41滑动配合的通孔，以实现四者在垂直方向的对齐定位和滑动。为了防止在冷却过程中热量通过定位导柱传递到上下模，定位导柱41应采用低的热传导材料，同时为保证导柱的强度，设计成非金属的导柱外套41b包覆金属的导柱内芯41a。导柱外套41b可以是聚四氟乙烯或者PP等耐温非金属材料；导柱内芯41a可以是不锈钢、铝合金等金属材质。在31和33、33和38以及38和40之间的导柱上安装有弹簧32、35、39。32、39用于弹开上、下压板与上、下模、35用于弹开上模与下模。两种弹簧的尺寸和弹性系数的选择要做到在模具压合时，上下压板尚未接触到上下模座时，上下模和定位框已完全接触，以保证弹开时在上下模尚在合模状态通入冷却液进行现场快速冷却。
图4为用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置的工作过程示意图。图4a为模具在热压机中处于完全打开状态，此时可以启动真空源把扩散层定位于上、下模头的模头凹面。在下模头安装定位框36，并在36中定位离子交换膜。图4b为热压机压合至上、下模已完全接触，而上、下压板31、40尚未能接触到上、下模座31、38时的压合状态，此时可以切断真空源。图4c为模具完全压合状态，此时热压机对模具加温、加压，使膜电极界面温度控制在130℃-190℃，扩散层表面的压强控制在80KgF-100KgF。打开模具过程与此相反，张开热压机至图4b所示状态，启动冷却介质循环，冷却上下模至25℃-40℃，停止冷却介质。启动和下模连接的真空源，进一步张开热压机使模具处于图4a所示完全打开状态，然后切断真空源，取下定位框36，从下模脱离膜电极，接着就可以直接进入下一个热压循环。这样的过程使得模具可以在不脱离热压机的状态下冷却、安装被热压元件，提高了效率。由于采用冷却液冷却，并且只冷却上、下模具，比一般的自然冷却要快速，因上、下压板31、40未被冷却，所以比较节能。
图5是热压模具轴侧***图。模具用于热压制备活性面积为10*10cm2的、外形尺寸为11cm*11cm的膜电极，所用离子交换膜的厚度为0.125mm，阴阳极扩散层厚度均为0.3mm。下模头和上模头(图中未能标示)的凹槽尺寸为10.1cm*10.1cm，深0.276mm，外形尺寸为11cm*11cm，材质为316L。上、下模座的凹槽尺寸为11.05 cm*11.05cm，，材质为304。模头安装在模座中高出模座平面5cm.定位框的内孔尺寸为11.1cm*11.1cm，高度为10.7cm.控制扩散层的压缩率约为8％，材质为316L。导柱是由聚四氟乙烯包覆不锈钢棒制成。上、下压板材质为硬质合金铝。选用的弹簧32和39比35长一倍，并且弹簧32和39的弹性系数是弹簧35的1.5倍。图6对压膜模块进行了进一步分解，模头34和模座33之间有厚度为1mm的硅橡胶密封垫42。用四个均布的M3螺钉45将模头34固定于模座33上。并且螺钉45的头部低于模头的表面。用该热压模具制备出的膜电极各部件的垂直对齐尺寸偏差控制在±0.2mm，扩散层表面也很平整，无损伤现象。
实施例二、
本发明的第二个实施例参照图7，这套用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置和实施实例1中的模具装置仅仅改变了上、下模头凹槽形状和分割数量。用于在同一块离子交换膜上制备4片活性面积为20cm2的膜电极。模头的定位凹槽被均匀的分割成4个面积为20cm2区域，每个区域的外形尺寸和扩散层一致。
Claims (5)
1.一种用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置，包括有上压板(31)、上模、定位框(36)、下模、下压板(40)、定位导柱(41)和弹开弹簧，所述的上模由上模头(34)、上模座(33)构成，上模座(33)用于固定上模头(34)，中心设有上模头定位凹槽，上模头定位凹槽和上模头(34)之间滑动配合，通过螺钉将上模头(34)固定于上模座的凹槽中，在上模头(34)和上模座凹槽的接触面之间有密封垫圈(42、44)，其特征是：上模头(34)和膜电极接触的面中心设有扩散层的定位凹槽，用以定位膜电极的第一扩散层，上模座(33)和上模头(34)的两凹槽之间设有贯穿的阵列小孔(34a、37a)，上模座(33)上还设有与真空源连接的真空通道(33b)和接通液体冷却介质的冷却流道(33a)及接口，真空通道(33b)连通凹槽，真空源通过真空通道(33b)、上模头的阵列小孔(34a)对扩散层施加真空；所述的下模由下模头(37)和下模座(38)构成，其结构同上模，下模头(37)定位膜电极的第二扩散层；上、下模之间有定位框(36)，定位框(36)中心孔用于定位离子交换膜；下压板(4O)上设有至少两根定位导柱(41)，上压板(31)、上模座(33)、下模座(38)上有与定位导柱(41)匹配的定位孔，定位导柱(41)以顺序将上压板、上模、定位框、下模、下压板对齐定位在一起；弹开弹簧分别置于压板和上、下模之间以及上模和下模之间。热压时将膜电极的各层置于压合模具相应定位位置，放入热压机一次热压层合，然后张开热压机到一适当位置，压板和上、下模之间的弹簧将上、下压板弹离上、下模，冷却定型，进一步张开热压机，上模和下模之间的弹簧将上下模弹开，取出定位框，从下模脱离膜电极。
2.根据权利要求1所述的用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置，其特征是：所述的下模头(37)的侧面设有深入中心的小孔(37b)，用于放置热电偶或热电阻等测温传感器，测量热压时膜电极界面的实际温度。
3.根据权利要求1所述的用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置，其特征是：所述的模座(33、38)在不改动模座的其它构件的情况下，可更换具有外形尺寸相同而扩散层定位凹槽的尺寸、外形、数量不同的上、下模头(34、37)。
4.根据权利要求1所述的用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置，其特征是：所述的定位导柱(41)由耐高温的非导热材料包覆金属杆制成。
5.根据权利要求1所述的用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置，其特征是：所述的弹开弹簧用于弹开压板与上、下模以及弹开上模与下模，并使得模具压合时，上、下压板尚未接触到上、下模座时，上、下模和定位框已完全接触，以保证在开模时，在上下模尚在合模状态下，上、下压板已脱离上、下模座。
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