CN103887519B - 一种膜电极压合模具及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种膜电极压合模具，包括上下依次叠合的上压板、上定位板、上定位软垫、下定位软垫、下定位板和下压板。第一电极与第二电极，或第一扩散层与第二扩散层通过上、下定位软垫上的定位孔，上、下定位板上的定位通孔，及上、下压板上的压紧凸台准确定位。本发明与现有技术相比，不仅实现了电极与电极、扩散层及电极的准确定位，同时通过上、下压板上的排气流道设计使热压过程中的水蒸汽可以顺利排出，避免了催化剂或碳粉在水蒸汽的作用下四处飞溅；同时上、下定位软垫使得夹在期间的电解质膜在受热和受力的情况下的急剧形变和/或污染。

Description

一种膜电极压合模具及其操作方法

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池膜电极制备领域，具体的说涉及膜电极的压合装置及该压合装置的操作方法。

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转换装置，它具有能量转换效率高、无污染、无噪音、使用寿命长等优点在航天、交通、移动电源等领域具有广阔的应用前景。

膜电极是燃料电池的核心部件，是燃料和氧化剂发生电化学反应的场所。广义的膜电极通常包括依次叠加的阳极扩散层、阳极催化层、电解质膜、阴极催化层和阴极扩散层，但只有阴、阳极催化剂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。传统膜电极制备过程中，由于定位不准，经常造成有效面积的减小、催化剂的浪费。

专利200710190632.9公开了一种用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置。该装置通过定位导柱及弹簧定位，位不够精确，易于移动；且该装置中置于上模头中的第一扩散层需在真空条件下才能定位准确，结构复杂，成本较高；同时该模具中的模头采用不锈钢或钛板制成，容易对导致电解质膜变形并对其造成污染。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，通过膜电极压合模具的结构设计与发明，实现膜电极压合过程中的准确定位，同时避免电解质膜的损伤与污染。本发明采用的具体方案如下：

一种膜电极压合模具，包括上压板、上定位板、上定位软垫、下定位软垫、下定位板、下压板；

上压板与下压板结构相同，上定位软垫与下定位软垫结构相同；

上压板与下压板分别为一平板，于平板的一侧表面中部设有与电极大小和形状均相同的压紧凸台，于凸台侧壁及凸台周围平板上开设有n条排气流道，凸台侧壁上的排气流道与凸台周围平板上相应的排气流道相连通，n≥1正整数，排气流道深度为0.05～2mm；于凸台周围平板上固定有以凸台几何中心为中心对称的m个压紧弹簧，m≥3正整数；

上定位板和下定位板分别为一平板，上定位板厚度比上压板上压紧凸台的高度大0.05～0.3mm，下定位板厚度比下压板上压紧凸台的高度大0～0.1mm；上定位板和下定位板中部均开设有与电极大小和形状相同的定位通孔；

上定位软垫和下定位软垫分别为一软质平板，其上中部均开设有与电极大小和形状相同的第一定位通孔；

上压板、上定位板、上定位软垫、下定位软垫、下定位板、下压板依次叠合放置，且上压板和下压板的凸台相对设置，凸台与定位通孔的位置相对应；

上定位板和下定位板上分别开设有与上压板和下压板上压紧弹簧相对应的m个弹簧定位槽，且当上压板上的压紧凸台与上定位板上的定位通孔对应放置时，下压板上的压紧凸台与下定位板上的定位通孔对应放置时，弹簧定位槽与压紧弹簧的位置相对应；

于下定位板上靠近下定位软垫一侧表面开设有与上定位软垫和下定位软垫大小及形状均相同的定位凹槽，定位凹槽深度比上定位软垫、下定位软垫、以及电解质膜或膜电极三者总厚度小0.2～1mm；

于下定位板板面上设置有两个或三个以上以凸台几何中心为中心对称的定位销，于上定位板面上的相应位置上设置有两个或三个以上定位销插孔。

所述电极为长方形、圆形、正多边形、三角形或梯形。

所述上压板、上定位板、下定位板、下压板的制成材料为不锈钢、银、铜、铁、铝；所述上定位软垫和下定位软垫的制成材料为膨胀聚四氟乙烯或硅橡胶。

所述膜电极压合模具的操作方法，包括以下步骤，

1)膜电极定位：下定位板凹槽朝上通过其上的定位通孔与下压板上的压紧凸台配合，下压板上的压紧弹簧使下定位板与下压板之间保持一定的间距；于下定位板的凹槽中安装下定位软垫，并使下定位软垫上的定位孔与下定位板上的压紧凸台对应，使之形成与电极大小和形状相同的浅槽；于所述浅槽中置入第一电极或第一扩散层并将一大小和形状与上定位软垫和/或下定位软垫相同的电解质膜或膜电极置于下定位软垫上；于电解质膜或膜电极上通过下定位板的凹槽定位安装上定位软垫；于上定位软垫的定位孔中置入第二电极或第二扩散层；

2)膜电极压合模具的安装：于上述步骤1)安装好的膜电极上，通过下定位板上的定位销及上定位板上的定位销插孔定位安装上定位板；上压板通过其上的压紧凸台及上定位板上的定位通孔配合安装，并保持上压板上的压紧弹簧直接作用于上定位板的上表面，得安装完整的压合模具；

3)膜电极的压合：将步骤2)所得安装完整的压合模具送入热压机热压；热压温度为120-190℃，热压压力为100-500磅·cm^-2，热压时间为0.5-10min；冷却至室温后取出得压合好的膜电极。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.实现了膜电极两侧第一电极与第二电极的准确定位；同时也实现了扩散层与膜电解中催化层(即电极)的准确定位；

2.避免了传统热压工艺中热压过程对电解质膜周边的损伤与污染；

3.热压过程中产生的水蒸气通过上下压板的排气流道卸荷，防止了热压过程中催化剂在水蒸气压力作用下向四周的飞溅；

4.模具结构简单，操作方便可以快速批量生产。

附图说明

图1为膜电极压合模具分解结构示意图；

图2为采用膜电极压合模具安装膜电极过程示意图；

(a)膜电极安装过程；(b)膜电极安装完成；(c)上定位板安装过程；(d)上压板安装过程。

图中1为上压板；2为上定位板；3为弹簧定位槽；4为上定位软垫；5为电解质膜或膜电极；6为下定位软垫；7为定位销；8为下定位板；9为定位凹槽；10为压紧弹簧；11为下压板；12为排气流道；13为压紧凸台；14为第一电极或第一扩散层；15为第二电极或第二扩散层。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明作详细描述，但是本发明不仅限于实施例。

实施例：

膜电极压合模具包括上压板1、上定位板2、上定位软垫4、下定位软垫6、下定位板8、下压板11。其中上、下压板结构相同，其上有与膜电极扩散层形状相同的方形压紧凸台13；用于热压时排出水蒸气的排气流道12；传递压力与上下定位板的压紧弹簧10，排气流道深度介于0.05～2mm，压紧弹簧则通过其上的定位槽固定。上定位板2与下定位板8结构略有区别，上、下定位板都开有与膜电极扩散层形状相同的方形定位孔及弹簧定位槽3，定位孔与上、下压板的凸台是滑动配合，上定位板厚度比上压板上压紧凸台的高度大0.05～0.3mm，下定位板厚度比下压板上压紧凸台的高度大0～0.1mm，下定位板8还设有与电解质膜或膜电极大小和形状相同的定位凹槽9与定位销7，定位凹槽用于定位电解质膜或膜电极、及上定位软垫4和下定位软垫6，定位凹槽深度比上定位软垫、下定位软垫、以及电解质膜或膜电极三者总厚度小0.2～1mm；定位销用于定位上定位板，上定位板设有与之对应的定位销插孔。上定位软垫4和下定位软垫6用于夹紧电解质膜或膜电极防止其变形与位移，又不至于损伤电解质膜或膜电极周边的电解质膜，二者厚度相同，其上都开有与电极或扩散层形状相同的方形定位孔，用于压紧过程中定位电极或扩散层，上定位软垫4和下定位软垫6的材料可以是硅橡胶、膨胀聚四氟乙烯等。

所述膜电极压合模具的操作方法如图2所示：

第一步：如图2所示，首先将下压板11通过压紧凸台13与下定位板8配合，压紧弹簧10使二者之间的平面保持一定的间距，在下定位板8的定位凹槽9中安装下定位软垫6，其上的定位通孔与下压板11上的压紧凸台13形成一个浅槽，深度介于0.3～1mm，在浅槽中定位安放涂覆有第一催化层的第一扩散层14；在其上放置电解质膜，电解质膜通过下定位板8的定位凹槽9定位；在电解质膜上放置上定位软垫4，上定位软垫4也通过下定位板8的定位凹槽9定位；在上定位软垫4的第一定位通孔内定位安置涂覆有第二催化层的第二扩散层15，至此膜电极的定位完成。

第二步：安装完膜电极后，利用下定位板的定位销7定位安装上定位板2，上定位板2下表面直接作用于上定位软垫4，再利用上定位板2的定位通孔定位安装上压板1，上压板1的压紧弹簧10直接作用于上定位板2的上表面，至此整个压紧模具的配合安装完成。

第三步：将配合好的膜电极压合模具送入热压机热压，在热压机压力模板的作用下，压力首先通过上、下压紧弹簧传递给上、下定位压板，使得上、下压板上的压紧凸台还未对膜电极构成较大压力的情况下，电解质膜先被与上、下定位板直接接触的定位软垫压紧，这样就防止了电解质膜在受热、受力的情况下的急剧形变，同时也防止了热压过程中催化剂在水蒸气压力作用下向四周的飞溅；热压机进一步压紧直至达到预定压力，上、下压板上的压紧凸台对膜电极两侧施加更大的压力，热量也通过压紧凸台传递到要与扩散层结合的电解质膜区域，使其达到玻璃化温度，热压过程中产生的水蒸气通过上、下压板的排气流道卸荷，从而实现扩散层与电解质膜的紧密结合。

第四步：冷却模具，取出成品。

Claims (4)

1.一种膜电极压合模具，其特征在于：包括上压板(1)、上定位板(2)、上定位软垫(4)、下定位软垫(6)、下定位板(8)、下压板(11)；

上压板与下压板结构相同，上定位软垫与下定位软垫结构相同；

上压板与下压板分别为一平板，于平板的一侧表面中部设有与电极大小和形状均相同的压紧凸台，于凸台侧壁及凸台周围平板上开设有n条排气流道，凸台侧壁上的排气流道与凸台周围平板上相应的排气流道相连通，n≥1正整数，排气流道深度为0.05～2mm；于凸台周围平板上固定有以凸台几何中心为中心对称的m个压紧弹簧，m≥3正整数；

上定位板和下定位板分别为一平板，上定位板厚度比上压板上压紧凸台的高度大0.05～0.3mm，下定位板厚度比下压板上压紧凸台的高度大0.02～0.1mm；上定位板和下定位板中部均开设有与电极大小和形状相同的定位通孔；

上定位软垫和下定位软垫分别为一软质平板，其上中部均开设有与电极大小和形状相同的第一定位通孔；

上压板(1)、上定位板(2)、上定位软垫(4)、下定位软垫(6)、下定位板(8)、下压板(11)依次叠合放置，且上压板(1)和下压板(11)的凸台相对设置，凸台与定位通孔的位置相对应；

上定位板和下定位板上分别开设有与上压板(1)和下压板(11)上压紧弹簧相对应的m个弹簧定位槽，且当上压板上的压紧凸台与上定位板上的定位通孔对应放置时，下压板上的压紧凸台与下定位板上的定位通孔对应放置时，弹簧定位槽与压紧弹簧的位置相对应；

于下定位板上靠近下定位软垫(6)一侧表面开设有与上定位软垫和下定位软垫大小及形状均相同的定位凹槽，定位凹槽深度比上定位软垫、下定位软垫、以及电解质膜或膜电极三者总厚度小0.2～1mm；

于下定位板板面上设置有两个或三个以上以凸台几何中心为中心对称的定位销，于上定位板面上的相应位置上设置有两个或三个以上定位销插孔。

2.如权利要求1所述膜电极压合模具，其特征在于：

所述电极为长方形、圆形、正多边形或梯形。

3.如权利要求1所述膜电极压合模具，其特征在于：

所述上压板、上定位板、下定位板、下压板的制成材料为不锈钢、银、铜、铁、铝；所述上定位软垫和下定位软垫的制成材料为膨胀聚四氟乙烯或硅橡胶。

4.一种权利要求1所述膜电极压合模具的操作方法，其特征在于：包括以下步骤，

1)膜电极定位：下定位板凹槽朝上通过其上的定位通孔与下压板上的压紧凸台配合，下压板上的压紧弹簧使下定位板与下压板之间保持一定的间距；于下定位板的凹槽中安装下定位软垫，并使下定位软垫上的定位孔与下定位板上的压紧凸台对应，使之形成与电极大小和形状相同的浅槽；于所述浅槽中置入第一电极或第一扩散层并将一大小和形状与上定位软垫和/或下定位软垫相同的电解质膜或膜电极置于下定位软垫上；于电解质膜或膜电极上通过下定位板的凹槽定位安装上定位软垫；于上定位软垫的定位孔中置入第二电极或第二扩散层；

2)膜电极压合模具的安装：于上述步骤1)安装好的膜电极上，通过下定位板上的定位销及上定位板上的定位销插孔定位安装上定位板；上压板通过其上的压紧凸台及上定位板上的定位通孔配合安装，并保持上压板上的压紧弹簧直接作用于上定位板的上表面，得安装完整的压合模具；

3)膜电极的压合：将步骤2)所得安装完整的压合模具送入热压机热压；热压温度为120-190℃，热压压力为100-500磅·cm^-2，热压时间为0.5-10min；冷却至室温后取出得压合好的膜电极。