CN101369664B - 用于燃料电池的可局部控温控压的电热压合装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料电池的可局部控温控压的电热压合装置，包含有一上治具，包含有一第一热压板、一第一冷却板以及一第一断热材，其中该第一冷却板包含有一可调整弹性系数的第一冷却头，穿过该第一断热材以及该第一热压板。一下治具，包含有一第二热压板、一第二冷却板及一第二断热材，其中该第二冷却板包含有一可调整弹性系数的第二冷却头，其相对应于该第一冷却头穿过该第二断热材以及该第二热压板。在进行压合时，该第二冷却头与该第一冷却头分别由相反方向压合并冷却一待压合模块上的同一个相对低温区域，该待压合模块为一燃料电池模块，而该相对低温区域为一膜电极组件区域。

Description

用于燃料电池的可局部控温控压的电热压合装置
技术领域
本发明有关于一种热压装置，特别有关于一种燃料电池模块的电热压合装置，可在热压过程中确实控制燃料电池模块表面局部温度与压力，进而提升膜电极组以及燃料电池模块的操作效能。
背景技术
如熟习该领域者所知，直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，简称为DMFC)是一种利用甲醇作为燃料，透过电化学程序将化学能转换成电力的发电装置。与传统的发电方式相较，直接甲醇燃料电池具有低污染、低噪音、高能量密度以及较高的能量转换效率等优点，是具有前瞻性的干净能源，可应用的领域包括家用发电系统、不断电系统、电子产品、运输工具、军用设备、太空工业等。
直接甲醇燃料电池的运作原理是以甲醇水溶液在阳极触媒层进行氧化反应，产生氢离子(H+)、电子(e-)以及二氧化碳(CO2)，其中氢离子经由电解质传递至阴极，电子则经由外部电路传递至阴极，此时供给阴极端的氧气会与氢离子及电子在阴极触媒层进行还原反应，并产生水。燃料电池一般皆由数个基本单元所组成。由于每个基本单元所能提供的电压很小，因此在应用时必须串联多个基本单元，以达到所需要的操作电压输出。
在直接甲醇燃料电池的模块结构中，通常包括有集电片以及流道板，分别扮演着不同重要的角色，其中集电片负责收集电化学反应所产生的电子，而流道板则是负责燃料流动的分布与控制。流道板的部分主要着重在流道的设计，使燃料能够顺利通过流道，而流入膜电极组件(membrane electrodeassembly，MEA)。
目前的平板式直接甲醇燃料电池已发展至成熟实用阶段，且较过去燃料电池具有更高的操作效能以及较佳的可靠度。然而，平板式直接甲醇燃料电池模块仍存有一些缺点需要进一步克服及改进。
例如，在电池模块进行热压组装时，局部温度与压力的控制即显得相当关键，压合的温度太高或者压力过大都将影响到膜电极组件及燃料电池本身的操作效能。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种创新的电热压合装置，特别适用在燃料电池模块的压合工艺中，可在热压过程中确实控制燃料电池模块表面局部温度与压力，进而提升膜电极组以及燃料电池模块的操作效能。
为达上述目的，本发明的较佳实施例披露一种用于燃料电池的可局部控温控压的电热压合装置，包含有一上治具，包含有一第一热压板、一第一冷却板以及一夹设于该第一热压板与该第一冷却板之间的第一断热材，其中该第一热压板内设有至少一第一通道，在该第一通道内设有一第一电热装置，而该第一冷却板包含有一可调整弹性系数的第一冷却头，其穿过该第一断热材以及该第一热压板；以及一下治具，包含有一第二热压板、一第二冷却板以及一夹设于该第二热压板与该第二冷却板之间的第二断热材，其中该第二热压板内设有至少一第二通道，在该第二通道内设有一第二电热装置，而该第二冷却板包含有一可调整弹性系数的第二冷却头，其相对应于该第一冷却头穿过该第二断热材以及该第二热压板，当进行压合时，该第二冷却头与该第一冷却头分别由相反方向压合并冷却一待压合模块上的同一个相对低温区域，该待压合模块为一燃料电池模块，而该相对低温区域为一膜电极组件区域。
根据上述方案，本发明的效果是显著的：本发明提供的电热压合装置，特别适用在燃料电池模块的压合工艺中，可在热压过程中确实控制燃料电池模块表面局部温度与压力，进而提升膜电极组以及燃料电池模块的操作效能。
附图说明
图1为依据本发明较佳实施例所绘示的电热压合装置的立体分解图。
图2为图1中电热压合装置的上治具的立体分解图。
图3为图1中电热压合装置的下治具的立体分解图。
图4A-4C为热压板内的电热装置布局示意图。
图5为本发明冷却头的剖面示意图。
图6为本发明承载盘的俯视图。
主要元件符号说明
1        电热压合装置  10       上治具
20       下治具        100      上方压板
102      冷却板        104      热压板
106      断热材        108      压合板
110      承载盘        122      冷却流体入口
124      冷却流体出口  126      冷却头
142      通道          144      感温线
146      开孔          162      开孔
164      绝缘领部      182      开孔
200      下方压板      202      冷却板
204      热压板        206      断热材
222      冷却流体入口  224      冷却流体出口
226      冷却头        242      通道
246      开孔          248      定位销
262      开孔          264      绝缘领部
602      冷却帽        604      凸出块
606      弹性件        608      平坦表面
710      定位销        712      开孔
720      定位孔
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附图式，作详细说明如下。然而如下的较佳实施方式与图式仅供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
请参阅图1至图3，其中图1是依据本发明较佳实施例所绘示的电热压合装置1的立体分解图，图2则是图1中电热压合装置1的上治具10的立体分解图，图3则是图1中电热压合装置1的下治具20的立体分解图。
如图1至图3所示，本发明的电热压合装置1包含有一上治具10，其固定在一热压机(图未示)的上方压板100(以虚线表示)的压合面上，以及一下治具20，其固定在热压机的下方压板200(以虚线表示)相对应的另一压合面上。
如图1及图2所示，上治具10包含有一冷却板102，其为一体成型的刚性中空板体，侧边设有一冷却流体入口122及一冷却流体出口124，可将冷却流体，例如，冷水，经由冷却流体入口122及冷却流体出口124注入进出冷却板102内部，以达到快速热交换的目的。
如图1所示，冷却板102直接锁固在热压机的上方压板100的压合面上。此外，在冷却板102上另设置有复数个凸出的冷却头126，其详细构造将在后面叙述。
根据本发明的较佳实施例，上治具10另包含有一热压板104，其为一体成型的刚性板体，内部留有通道142，可于通道142内置入电热装置(图未示)。其中，前述的电热装置可以是一个或者一个以上的电热丝、电热棒或电热块所组成，并且可程控各个电热装置的温度，使热压板温度均一。
请同时参阅图4A-4C，其绘示的是埋设在热压板104内的电热装置布局示意图。如图4A-4C所示，电热装置的分布可以是直条式、交叉式或者是段续式。然而，以上分布方式仅为举例说明，本发明并不只局限于此，而是可以包括其它倾斜均匀分布方式。
如图2所示，根据本发明的较佳实施例，在热压板104的特定位置上可布设感温线144，以达到精确监控热压温度的目的。此外，热压板104上另设有复数个开孔146，使冷却板102上复数个凸出的冷却头126可以穿过。
根据本发明的较佳实施例，上治具10另包含有一断热材106，其夹设在冷却板102与热压板104之间。断热材106包含有相对应于冷却头126的复数个开孔162，使断热材106能够合适的套在冷却头126上及冷却板102上。断热材106可以是由任何低热传导系数的绝热材料所构成，并且可以是任何形状及大小，其主要用途为隔绝冷却板102与热压板104，避免冷却板102影响到热压板104的热压温度。
根据本发明的较佳实施例，开孔162具有绝缘领部164，当断热材106套在冷却头126上时，绝缘领部164可以围绕冷却头126的侧边，使其不接触热压板104。
此外，开孔162与冷却头126两者的尺寸不一定要刚好，而是可以稍微加大开孔162的尺寸，使绝缘领部164与冷却头126之间还留有一空隙，并采用空气对流来断热或者以抽真空断热。
根据本发明的较佳实施例，上治具10另包含有一可导热的压合板108，其固定在热压板104上。压合板108可以是以不锈钢或铝合金等金属材构成。压合板108上同样设有复数个开孔182，其相对应于开孔146以及开孔162，使冷却板102上复数个凸出的冷却头126可以穿过。
请参阅图5，其绘示的是凸出于冷却板102下表面的冷却头126的剖面示意图。如图5所示，冷却头126包含有一冷却帽602，其以可移动的方式固定在一冷却板102的凸出块604上，冷却帽602与凸出块604之间则设置有弹性件606。
冷却帽602具有一平坦表面608，在进行热压合时，冷却帽602经由开孔162伸出，使平坦表面608与相对应的燃料电池模块的膜电极组件正上方的阴极电极区域接触，而通过自动或手动调整弹性件606的弹性系数，即可控制施加于膜电极组件上的压力，使压力适中，不致过大或过小。此外，弹性件606是由高热传导系数的金属或非金属弹性材料所构成，可传导冷却板102的冷却温度至冷却头表面。
根据实际的操作结果，若冷却流体采用5℃至10℃的冷冻水，热压板104的温度控制在约150℃，在进行热压合时，冷却帽602的平坦表面608的温度可以被控制在10℃至80℃之间的理想温度范围。
根据本发明的较佳实施例，冷却帽602与凸出块604之间并无连通，意即，冷却板102内的冷却流体不会流动到冷却帽602中。这也使得冷却板102内的冷却流体较不会有接触到冷却头126内的弹性件606，而造成弹性件606损坏的风险。
此外，冷却头126的冷却帽602可平行、凹下或是凸出于热压板104。并且根据本发明的另一较佳实施例，甚至可以省略冷却板102，改为采用电控冷却方式来控制冷却头，并可以个别控制冷却头126的温度。
如图1及图3所示，根据本发明的较佳实施例，下治具20包含有一冷却板202，其同样为一体成型的刚性中空板体，侧边设有一冷却流体入口222及一冷却流体出口224，可将冷却流体注入冷却板202内部，以达到快速热交换的目的。冷却板202直接锁固在热压机的上压板200的压合面上。此外，在冷却板202上另设置有复数个凸出的冷却头226，其构造同图5所示，因此不再重复。
下治具20另包含有一热压板204，其为一体成型的刚性板体，内部同样留有通道242，可于通道242内置入电热装置(图未示)。其中，前述的电热装置可以是一个或者一个以上的电热丝、电热棒或电热块所组成，并且可程控各个电热装置的温度，使热压板温度均一。
在热压板204的特定位置上可布设感温线，以达到精确监控热压温度的目的。此外，热压板204上另设有复数个开孔246，使冷却板202上复数个凸出的冷却头226可以穿过。
下治具20另包含有一断热材206，其夹设在冷却板202与热压板204之间。断热材206包含有相对应于冷却头226的复数个开孔262，使断热材206能够合适的套在冷却头226上及冷却板202上。断热材206可以是由任何低热传导系数的绝热材料所构成，并且可以是任何形状及大小，其主要用途为隔绝冷却板202与热压板204，避免冷却板202影响到热压板204的热压温度。
同样的，开孔262具有绝缘领部264，当断热材206套在冷却头226上时，绝缘领部264可以围绕冷却头226的侧边，使其不接触热压板204。
根据本发明的较佳实施例，上治具10与下治具20之间设有一承载盘110，如图1所示，其以可移动的方式固定在热压机上，主要是用来承载以及定位各个待热压的燃料电池模块320。上治具10与下治具20的各个冷却头126及226，即压在相对应的燃料电池模块的膜电极组件322正上方。
本发明的承载盘110可以自动或手动方式自热压机取出或移动，也可以推拉方式方便燃料电池模块放置排列。请同时参阅图6，其绘示的是承载盘110的俯视图。如图6所示，承载盘110设有开孔712，可使下治具20的冷却头226穿过，并与相对应的燃料电池模块的阴极电极区域接触。
较佳者，可预先在承载盘110上钻出定位孔，或者形成略微凸起的定位销710，方便操作员将燃料电池模块快速准确的摆放至定位，并且使燃料电池模块的膜电极组件322确实对应到冷却头126及226，确保膜电极组件322可以冷却均匀，并且在适当的压力下被压合。
承载盘110的四个角落可选择设置定位孔720，让设置在下治具20的热压板204上的相对应四根定位销248穿过，而上治具10也具有相对应的孔洞，让下治具20的四根定位销248穿过，使得上治具10、承载盘110与下治具20确实定位。当然，定位孔720以及定位销248并非绝对必要，可以省略，或者另以其它定位方式来取代，同样可以达到定位上、下治具的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池的可局部控温控压的电热压合装置，其特征在于，包含有：
一上治具，包含有一第一热压板、一第一冷却板以及一夹设于该第一热压板与该第一冷却板之间的第一断热材，其中该第一热压板内设有至少一第一通道，在该第一通道内设有一第一电热装置，而该第一冷却板包含有一可调整弹性系数的第一冷却头，其穿过该第一断热材以及该第一热压板；以及
一下治具，包含有一第二热压板、一第二冷却板以及一夹设于该第二热压板与该第二冷却板之间的第二断热材，其中该第二热压板内设有至少一第二通道，在该第二通道内设有一第二电热装置，而该第二冷却板包含有一可调整弹性系数的第二冷却头，其相对应于该第一冷却头穿过该第二断热材以及该第二热压板，在进行压合时，该第二冷却头与该第一冷却头分别由相反方向压合并冷却一待压合模块上的同一个相对低温区域，该待压合模块为一燃料电池模块，而该相对低温区域为一膜电极组件区域。
2.如权利要求1所述的用于燃料电池的可局部控温控压的电热压合装置，其特征在于，在该第一热压板或该第二热压板上布设有感温线。
3.如权利要求1所述的用于燃料电池的可局部控温控压的电热压合装置，其特征在于，该第一冷却头包含有一冷却帽，其以可移动的方式固定在该第一冷却板的一凸出块上，该冷却帽与该凸出块之间则设置有弹性件。
4.如权利要求1所述的用于燃料电池的可局部控温控压的电热压合装置，其特征在于，该第一冷却板的侧边设有一冷却流体入口及一冷却流体出口，可将冷却流体注入该冷却板内部，以达到快速热交换的目的。
5.如权利要求1所述的用于燃料电池的可局部控温控压的电热压合装置，其特征在于，该第一断热材具有一绝缘领部，套在该第一冷却头上时，该绝缘领部围绕该冷却头的侧边，使其不接触该第一热压板。
6.如权利要求1所述的用于燃料电池的可局部控温控压的电热压合装置，其特征在于，该第一冷却板直接锁固在一热压机的上方压板上。
7.如权利要求1所述的用于燃料电池的可局部控温控压的电热压合装置，其特征在于，该第二冷却板直接锁固在一热压机的下方压板上。
8.如权利要求1所述的用于燃料电池的可局部控温控压的电热压合装置，其特征在于，该上治具另包含有一压合板，直接固定在该第一热压板上。
9.如权利要求1所述的用于燃料电池的可局部控温控压的电热压合装置，其特征在于，该上治具与该下治具之间另设有一承载盘，其以可移动的方式固定在一热压机上，用来承载及定位该待压合模块。
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