CN102479955A - 用于制备膜电极三合一的热压夹具和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于制备膜电极三合一的热压夹具，该夹具包括相互压合的上夹板(6)和下夹板(7)，其中，所述下夹板(7)的压合表面上具有凹槽(8)，该凹槽(8)的形状与所要制备的膜电极三合一的形状相匹配以适于容纳组成所述膜电极三合一的组件。本发明还提供一种制备膜电极三合一的方法。通过本发明的技术方案，在进行放置、压合和热压膜电极三合一的组件的操作时，膜电极三合一的组件的密封框受到所述凹槽的限制。因此一方面在放置操作时能够保证所述密封框的准确定位；另一方面在压合和热压操作时能够防止两密封框的相对位置因两夹板的相对位置的微小变化而变化。

Description

用于制备膜电极三合一的热压夹具和方法

技术领域

本发明涉及用于制备膜电极三合一的热压夹具和方法。

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池具有能量转化效率高、室温快速启动、清洁环保、以及比功率和比能量高等优点，被认为是21世纪首选的清洁、高效的发电技术，在分散电站、电动汽车和便携式电源等方面具有广阔的应用前景。

如图1和图2所示。膜电极三合一(MEA)是燃料电池的核心组件，主要由置于电解质膜1(离子交换膜)两侧的电极2(阳极和阴极)与两个相应的密封框3组成。每个密封框3具有开口，相应的电极设置在该开口中。由于单片电池的工作电压较低，一般将多片单池进行串、并联以电池组的方式进行实际应用。为了满足电池组内各单片电池的反应物供应、产物排出、以及循环水的进出，在单片电池的两个密封框的对应位置分别开设有反应气体公用孔道4和生成水及循环水公用孔道5。

为了构建丰富的质子传递通道并且减小电极与膜的接触电阻，在制备膜电极三合一的过程中，通常将电极2与电解质膜1进行热压处理。在热压处理前除了需将电解质膜1、电极2和密封框3按照一定顺序放置外，还要保证电解质膜1以及密封框2的相对位置，使得两片密封框上的各公用孔道4、5在热压前及热压过程中位置一致，即相互对准。否则不仅会影响MEA最终外型尺寸，而且会影响公用孔道4、5的最终尺寸及密封性，位置严重偏离时会导致密封失效。

为了解决上述问题，可在热压夹具的夹板和密封框的相应位置开设定位孔，在夹板之间放置密封框时使用穿过所述定位孔的定位杆定位。使用夹板完成压合操作后将定位杆取出，然后即可进行热压操作。但此种方法会增加MEA热压前的准备工序，而且必须在MEA的密封框上开设定位孔，不仅额外增加了相应的制备工序，而且可能影响密封框甚至整个MEA的设计。此外，热压时，在压力由0增大至目标值的过程中，如果两夹板的相对位置发生微小变化，则该微小变化引起的摩擦力也会影响两密封框的相对位置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是膜电极三合一的压合和热压操作时密封框的定位问题，也就是密封框的各公用孔道的对准问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于制备膜电极三合一的热压夹具，该夹具包括相互压合的上夹板和下夹板，其中，所述下夹板的压合表面上具有凹槽，该凹槽的形状与所要制备的膜电极三合一的外周形状相匹配以适于容纳组成所述膜电极三合一的组件。

本发明还提供一种制备膜电极三合一的方法，该方法包括：

步骤(a)：提供本发明的热压夹具；

步骤(b)：将组成所述膜电极三合一的组件放入所述热压夹具的凹槽中；

步骤(c)：将所述上压板和所述下压板压合，使得所述膜电极三合一的组件在所述凹槽中压实；

步骤(d)：进行热压处理。

通过本发明的上述技术方案，由于所述凹槽的形状与所述膜电极三合一的组件的外周形状(即密封框的外周形状)一致，因而在进行放置、压合和热压操作时，所述密封框的外周会受到所述凹槽的限制。因此，一方面在放置操作时能够保证所述密封框的准确定位，从而确保两个密封框上相应的公共孔道对准；另一方面在压合和热压操作时能够防止两密封框的相对位置因两夹板的相对位置的微小变化而变化。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是说明膜电极三合一的结构的俯视示意图；

图2是图1中沿A-A面截取的剖视示意图；

图3是说明本发明的热压夹具的一种实施方式的结构的截面示意图；

图4是图3中下夹板的截面示意图。

附图标记说明

1：电解质膜      2：电极      3：密封框

4：气体公用孔道  5：生成水及循环水公用孔道

6：上夹板        7：下夹板    8：凹槽

9：第一柔性垫片  10：第二柔性垫片

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

根据本发明的一个方面，提供一种热压夹具，该热压夹具包括相互压合的上夹板6和下夹板7，其中，所述下夹板7的压合表面上具有凹槽8，该凹槽8的形状与所要制备的膜电极三合一的外周形状相匹配以适于容纳组成所述膜电极三合一的组件。

由于凹槽8的形状与所要制备的膜电极三合一的外周形状相匹配，并且凹槽8能够容纳组成所述膜电极三合一的组件，因而可以通过凹槽8稳定地限定所述膜电极三合一的组件在压制和热压过程中的位置。通过这种方式，可以保证放置在凹槽8中的所述膜电极三合一的组件的两个密封框3上的相应的公共孔道4、5始终对准，从而实现最终良好的产品质量。

为了在便于放置所述膜电极三合一的组件的同时确保能够通过凹槽8限定所述膜电极三合一的组件的位置，可以使凹槽8的形状稍大于所述膜电极三合一的组件的外周形状。优选地，所述凹槽8的内周与所述膜电极三合一的组件的外周之间具有间隙，且该间隙不大于0.5mm。

在本发明中，所述膜电极三合一的组件包括阳极、阴极、电解质膜1和两个密封框3，所述阳极和所述阴极分别设置在相应的密封框3中，所述电解质膜1夹设在所述阳极和所述阴极之间，所述膜电极三合一组件的外周形状和尺寸为所述密封框3的外周形状和尺寸。其中，阳极和阴极不是本发明所涉及的重点，因而在本说明书中可以通过电极2来表示，在附图中也没有特意区别。

根据不同的所述膜电极三合一的设计尺寸，例如根据所述膜电极三合一的组件的电极2、电解质膜1和密封框3的厚度，可以使凹槽8形成为不同的深度，只要能够用于容纳、压制和热压所述膜电极三合一的组件即可。在本发明的优选实施方式中，可以在将所述膜电极三合一的组件放入凹槽8以进行压制和热压时，在凹槽8中另外放置柔性垫片(具体方法在下文中详细说明)，因此凹槽8的深度优选大于所述膜电极三合一的组件的厚度(未进行压制和热压之前，通常电极2的厚度大于密封框3的厚度，因而所述膜电极三合一的组件的厚度为两个电极和电解质膜1的厚度的总和)并小于所述膜电极三合一的组件的厚度与柔性垫片的厚度之和。根据不同的柔性垫片的厚度，可以使所述凹槽8的深度与所述膜电极三合一的组件的厚度的差为1-8mm。更优选地，所述凹槽8的深度为1.5-10.5mm。

如图3和图4所示，所述上压板6和所述下压板7压合时，所述上压板6优选能够完全覆盖所述凹槽8。从而可以通过上压板6和下压板7限定所述膜电极三合一的组件沿厚度方向的位置，并通过凹槽8限定所述膜电极三合一的组件的周向位置，也就是在各个方向限定所述膜电极三合一的组件的位置。

根据本发明的另一方面，提供一种制备膜电极三合一的方法，该方法包括：(a)提供一种本发明的热压夹具；(b)将组成所述膜电极三合一的组件放入所述凹槽8中；(c)将所述上压板6和所述下压板7压合，使得所述膜电极三合一组件在所述凹槽8中压实；(d)进行热压处理。

优选地，所述步骤(c)包括使所述上压板6完全覆盖所述凹槽8，从而可以通过上压板6和下压板7限定所述膜电极三合一的组件沿厚度方向的位置，以便在各个方向限定所述膜电极三合一的组件的位置。

其中，组成所述膜电极三合一的组件包括电解质膜1、两个电极2和两个密封框3，所述步骤(b)包括：将第一个密封框3放入所述凹槽8中，并将第一个电极2放入该密封框3中，使得第一个电极2的部分外周被第一个密封框3包围；将所述电解质膜1层置在所述第一个电极2上；将第二个密封框3放入所述凹槽8中并层置在所述电解质膜1上，将第二个电极2放入该密封框3中，使得第二个电极2的部分外周被第二个密封框3包围。

本领域公知地，密封框3的平面尺寸形成为能够从周向密封电极2，即电极2能够放置到密封框3中；电极2的厚度通常大于密封框3的尺寸，因而电极2放入密封框3中时，沿电极2的厚度方向的部分外周被密封框3包围，其余部分暴露。另外，电解质膜1的平面尺寸稍大于电极2，以能够通过电解质膜1分隔开两个密封框3。换言之，所述膜电极三合一的组件的外周形状和尺寸由密封框3的外周形状尺寸限定，所述膜电极三合一的组件的厚度由电极2和电解质膜1的厚度限定。优选地，所述电解质膜1的厚度与电极2的厚度、密封框3的厚度比例为1∶4-5∶3-4。

为了在便于放置所述膜电极三合一的组件的同时确保能够通过凹槽8限定所述膜电极三合一的组件的位置，可以使凹槽8的形状稍大于所述膜电极三合一的组件的外周形状。优选地，所述凹槽8的内周与所述膜电极三合一的组件的外周之间具有间隙，且该间隙不大于0.5mm。

在本发明的一种实施方式中，可以直接将所述膜电极三合一的组件放入凹槽8中压制和热压。在这种实施方式中，凹槽8的深度应稍小于所述膜电极三合一的组件的厚度，从而能够通过上压板6和下压板7的压合进行压制操作。优选地，凹槽8的深度应介于一个电极2与电解质膜1的厚度之和与两个电极2与电解质膜1的厚度之和之间。换言之，凹槽8的深度使得放入第二个密封框3时，该密封框3仍然能够通过凹槽8定位，并且在放入该密封框3后，上压板6和下压板7在压合和热压的过程中不能直接接触，从而通过凹槽8中的膜电极三合一的组件传递压力以实现压合和热压。

在本发明的优选实施方式中，所述方法还包括：在所述膜电极三合一的组件下方和/或上方层置柔性垫片。柔性垫片可以在压制和热压过程中对所述膜电极三合一的组件施与柔性缓冲作用，从而对膜电极三合一的组件进行保护，以得到更加完好的产品。优选地，在所述膜电极三合一的组件的上方和下方可以分别层置第一柔性垫片9和第二柔性垫片10。换言之，在将所述膜电极三合一的组件放入所述凹槽8之前和之后可以分别放入第一柔性垫片9和第二柔性垫片10。当然，也可以仅在膜电极三合一的组件的下方放入第一柔性垫片9，或者仅在膜电极三合一的组件的上方放入第二柔性垫片10，也可以对膜电极三合一的组件起到缓冲保护作用。

其中，柔性垫片可以使用适当的柔性材料制成，只要能够在压制和热压过程中对所述膜电极三合一的组件进行缓冲保护即可。优选地，所述柔性垫片使用柔性好、导热性好、耐压的材料制成。更优选地，所述柔性垫片为石墨垫片或四氟乙烯垫片。在放入第一柔性垫片9和第二柔性垫片10的情况下，第一柔性垫片9和第二柔性垫片10优选使用相同材料制成。另外，所述柔性垫片的厚度为0.5-5mm。在放入第一柔性垫片9和第二柔性垫片10的情况下，优选使第一柔性垫片9和第二柔性垫片10的厚度相同，以对膜电极三合一的组件施加均匀的缓冲保护。

优选地，所述柔性垫片的外周尺寸与所述膜电极三合一的组件的外周尺寸相同。在使用第一柔性垫片9和第二柔性垫片10的情况下，可以使第一柔性垫片9和第二柔性垫片10的外周尺寸相同。从而所述柔性垫片能够在不影响凹槽8的定位作用的情况下起到缓冲保护作用。

更优选地，所述凹槽8的深度大于所述膜电极三合一的组件的厚度，且小于所述柔性垫片和所述膜电极三合一的组件的厚度的总和。通过这种布置，可以在保证对膜电极三合一的组件进行定位的同时实现柔性垫片的缓冲保护。具体地，当仅使用一个柔性垫片时，例如在膜电极三合一的组件的下方层置第一柔性垫片9的情况下，凹槽8的深度大于膜电极三合一的组件的厚度并小于第一柔性垫片9和膜电极三合一的组件的厚度之和。类似地，当仅在膜电极三合一的组件的上方层置第二柔性垫片10的情况下，凹槽8的深度大于膜电极三合一的组件的厚度并小于第二柔性垫片10和膜电极三合一的组件的厚度之和。特别地，当在膜电极三合一的组件的上方和下方分别放置第一柔性垫片9和第二柔性垫片10的情况下，凹槽8的深度可以介于膜电极三合一的组件的厚度与膜电极三合一的组件的厚度和第一柔性垫片9及第二柔性垫片10的厚度之和之间。优选地，凹槽8的深度可以介于膜电极三合一的组件的厚度和第一柔性垫片9的厚度之和与膜电极三合一的组件的厚度和第一柔性垫片9及第二柔性垫片10的厚度之和之间。换言之，只要使得放置第二个密封框3时，该密封框3仍然能够通过凹槽8定位即可。

根据不同的柔性垫片的厚度，可以使所述凹槽8的深度与所述膜电极三合一的组件的厚度的差为1-8mm。更优选地，所述凹槽8的深度为1.5-10.5mm。

另外，在将所述膜电极三合一的组件下方设置所述柔性垫片时(即放入第一柔性垫片9的情况下)，在放入所述柔性垫片之前，在所述凹槽的底部涂敷脱模剂，从而在压制和热压后能够容易地将所述膜电极三合一和柔性垫片从凹槽8中取出。取出所述膜电极三合一和柔性垫片后，可以将柔性垫片分离，从而得到膜电极三合一产品。其中，脱模剂可以是本领域技术人员公知的脱模剂，优选是易于使无机材料与金属模具分离的脱模剂。

此外，可以采用本领域公知的适于用作热压夹具的材料制作本发明的热压夹具的夹板，例如可以使用具有适当强度的钢板制作上夹板6和下夹板7。上夹板6和下夹板7可以形成为相同的尺寸，也可以使上夹板6形成为覆盖下夹板7的凹槽8即可。上夹板6和下夹板7的厚度可以相同或不同，如图3所示，下夹板7的厚度可以稍大于上夹板6，以在设置凹槽8后仍具有适于承受热压处理的厚度。另外，本领域技术人员可以根据所要制作的膜电极三合一以及膜电极三合一的组件的形状、厚度等参数，在热压处理时设定适当的温度和压力。优选地，热压温度为140-160℃，热压强度为1-3MPa。

下面通过具体实施例说明本发明的方法。

热压夹具包括由钢板制成的上夹板6和下夹板7，上夹板6和下夹板7均为120×120mm的方板状，上夹板6是厚度为1.5mm的平板结构，下夹板7的厚度为3mm。在下夹板7的压合表面上形成凹槽8，使得凹槽8位于下夹板7的正中位置，凹槽8的长度、宽度和深度分别为100.05mm、100.5mm和2.5mm。

膜电极三合一的组件的密封框3的外周形状为正方形，外周长、宽尺寸均为100mm。在两个密封框3上分别开有4个气体公用孔道4和2个生成水及循环水公用孔道5。热压前密封框3的厚度均为0.15mm，电极2的厚度均为0.22mm，电解质膜1的厚度为0.05mm。

使用两块厚度相同的经过热压处理的柔性石墨作为第一柔性垫片9和第二柔性垫片10，第一柔性垫片9和第二柔性垫片10的长度和宽度均为100mm，热压前的厚度均为1.5mm。

在凹槽8的底面上涂敷0.03g/cm²的脱模剂(购自江苏德和惠尔化工有限公司的板材脱模剂)；将第一柔性垫片9放入凹槽8；将第一个密封框3层置在第一柔性垫片9的上方并通过凹槽8定位，并将第一个电极2放入该密封框3中；将电解质膜1层置在所述电极2的上方；将第二个密封框3层置在电解质膜1的上方并通过凹槽8定位，并将第二个电极2放入该密封框3中；将第二柔性垫片10层置在所述第二个密封框3和第二个电极2的上方；将上压板6压合在下压板7上并覆盖第二柔性垫片10，通过压制操作压实膜电极三合一的组件；进行热压处理，其中热压温度为120℃，目标压力值为1.8MPa。热压后，打开热压夹具，将柔性垫片和热压好的膜电极三合一从凹槽8中取出并去掉柔性垫片，其中，膜电极三合一的厚度为0.4mm，第一柔性垫片9和第二柔性垫片10的厚度为1.3mm。

需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，可以通过任何合适的方式进行任意组合，其同样落入本发明所公开的范围之内。另外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (16)

1.用于制备膜电极三合一的热压夹具，该热压夹具包括相互压合的上夹板(6)和下夹板(7)，其特征在于，所述下夹板(7)的压合表面上具有凹槽(8)，该凹槽(8)的形状与所要制备的膜电极三合一的形状相匹配以适于容纳组成所述膜电极三合一的组件。

2.根据权利要求1所述的热压夹具，其中，所述凹槽(8)的内周与所述膜电极三合一的组件的外周之间具有间隙，且该间隙不大于0.5mm。

3.根据权利要求1所述的热压夹具，其中，所述凹槽(8)的横截面沿所述凹槽(8)的深度不变。

4.根据权利要求1所述的热压夹具，其中，所述凹槽(8)的深度为1.5-10.5mm。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的热压夹具，其中，所述上压板(6)和所述下压板(7)压合时，所述上压板(6)能够完全覆盖所述凹槽(8)。

6.制备膜电极三合一的方法，该方法包括：

步骤(a)：提供一种如权利要求1-5中任意一项所述的热压夹具；

步骤(b)：将组成所述膜电极三合一的组件放入所述热压夹具的凹槽(8)中；

步骤(c)：将所述上压板(6)和所述下压板(7)压合，使得所述膜电极三合一的组件在所述凹槽(8)中压实；

步骤(d)：进行热压处理。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述步骤(c)包括使所述上压板(6)完全覆盖所述凹槽(8)。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，组成所述膜电极三合一的组件包括电解质膜(1)、两个电极(2)和两个密封框(3)，所述步骤(b)包括：

将第一个密封框(3)放入所述凹槽(8)中，并将第一个电极(2)放入该密封框(3)中，使得第一个电极(2)的部分外周被第一个密封框(3)包围；

将所述电解质膜(1)层置在所述第一个电极(2)上；

将第二个密封框(3)放入所述凹槽(8)中并层置在所述电解质膜(1)上，将第二个电极(2)放入该密封框(3)中，使得第二个电极(2)的部分外周被第二个密封框(3)包围。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述电解质膜(1)的厚度与电极(2)的厚度、密封框(3)的厚度比例为1∶4-5∶3-4。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述方法还包括：

在所述膜电极三合一的组件的下方和/或上方层置柔性垫片。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述柔性垫片为石墨垫片或四氟乙烯垫片。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述柔性垫片的外周尺寸与所述膜电极三合一的组件的外周尺寸相同。

13.根据权利要求10-12中任意一项所述的方法，其中，所述柔性垫片的厚度为0.5-5mm。

14.根据权利要求10-12中任意一项所述的方法，其中，所述凹槽(8)的深度大于所述膜电极三合一的组件的厚度，且小于所述柔性垫片和所述膜电极三合一的组件的厚度的总和。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述凹槽(8)的深度与所述膜电极三合一的组件的厚度的差为1-8mm。

16.根据权利要求10-12中任意一项所述的方法，其中，在将所述膜电极三合一的组件下方设置所述柔性垫片时，在放入所述柔性垫片之前，在所述凹槽(8)的底部涂敷脱模剂。

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