CN2789944Y - 一种压制燃料电池平板电极的热模具 - Google Patents

Abstract

本实用新型设计了一种压制燃料电池“三合一”膜电极的可加热模具。该模具包括上模和与上模配合的下模，其特征在于，所说的上模与下模分别为设有加热介质进口和加热介质出口、内部具有空腔的平板中空模具。本实用新型的“三合一”膜电极模具，无须在模具上设置直接电加热装置，结构简单，模具的温差极小，能够压制获得厚度均匀的用于燃料电池的电极，所压制成的“三合一”膜电极，其厚度误差小于电极本身厚度0.53mm的10％，能够满足燃料电池的工作要求。

Description

一种压制燃料电池平板电极的热模具

技术领域

本实用新型涉及一种模具，特别涉及一种用于压制燃料电池平板电极的热模具。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：

阴极反应：

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

质子交换膜燃料电池可用作车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、移动式、固定式的发电装置。

目前典型的质子交换膜燃料电池单电池一般由一张膜电极(MEA)与二块导流极板组成。膜电极一般均放在二块导电的极板中间，每块导电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定的方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

所以目前的燃料电池组装配技术一般都可以使燃料电池组拆分成许多块导流极板(或双极板)及膜电极(三合体MEA)。例如：Us Patent 5804326、Us Patent 6066409上面所描述的多种燃料电池堆每个重复单电池单元都由导流极板(或双极板)及膜电极(三合体MEA)装配而成，而且导流极板(或双极板)及膜电极都是独立的部分，且可以反复拆装成电池堆。

燃料电池堆的这种组装技术对燃料电池堆的密封提出了非常高的要求。为了让燃料电池堆中的氢气、空气、冷却流体各自按自己的流体通道进、出，互相不渗漏，每块极板(或双极板)与膜电极之间都要求有很好的密封装置。如图1～图5所示。图中：8为双极板的导氢气流槽面；9为导空气流槽面；10为双极板；11为双极板中二部分构成冷却夹套的胶接密封；12为质子交换膜；13为三合一电极。

所以燃料电池“三合一”膜电极压制时必须保证整个“三合一”膜电极平面的厚薄均匀度一致。

“三合一”膜电极中的质子交换膜是一种全氟磺酸树脂塑料，其玻璃化温度一般在100℃以上，所以为了压制时使“三合一”电极互相交接牢靠，不脱胶，必须在其玻璃化温度以上压制，一般在100℃～180℃之间压制，才能保证“三合一”电极交接良好。所以在压制电极的平面必须进行加热，而且在压制平板工作区域内的温度必须非常均匀，一般为±1℃。否则，某些区域过热，某些区域过冷，在压制“三合一”电极时，会造成在相同压力下，过热区域电极厚度过小，过冷区域电极厚度过大，三极厚度均一性差的情况。

目前技术一般采用在压制平板机上的上、下模板设置用电加热装置，例如美国PHI公司的产品——高精度上、下模板电加热的燃料电池电极压制平板机。

但是，电加热有以下的技术缺陷：

1.必须铺设电阻值非常一致、均匀的加热电阻丝，价格很高；

2.随着时间的推移，往往会有一些电阻丝发生老化，电阻值变化，使加热性能变化，从而达不到整个压制模板表面温度均匀性(一般为±1℃)的要求；不能保证在压制过程中相同压力下，电极厚度总的误差不超过本身厚度的10％。

发明内容

本实用新型需要解决的技术问题是设计一种压制燃料电池平板电极的热模具，以克服现有技术存在的上述缺陷。

本实用新型的压制燃料电池平板电极的热模具，包括上模和与上模配合的下模，其特征在于，所说的上模与下模分别为设有加热介质进口和加热介质出口、内部具有空腔的平板中空模具。

术语：“中空”指地是上模和下模均为一个空心的盒体。

本实用新型的工作原理是这样的：

当需要压制电极时，将电极材料置于上模和下模之间，然后将已经被加热的加热介质由流体传输机械通过加热介质进口分别送入上模和下模，然后再从加热介质出口流出模具。由于流体在模具中连续的流动，因此，可使整个上模和下模的温度处于均衡，使整个模具的温差不大于±1℃，从而可获得厚度均匀的电极。

具体操作步骤：

一.将加热油箱中的油加热到180℃，并将油泵泵入加热模具上、下模的腔体内。

加热油箱中的油温度，由温度传感器与PID控制器测量并控制加热，控制加热油温度在180℃±1℃之间，油泵流量足够大，大约为100升/分钟，保证上、下模表面温度为180℃±1℃。

二.上、下模开模。

三.将一张质子膜放在二张电极中间，并放入下模表面上。

四.迅速合模，合模压强为500个大气压，一分钟后取出。

由上述公开的技术方案可见，本实用新型的“三合一”电极模具，无须在模具上设置加热装置，结构简单，模具的温差极小，能够压制获得厚度均匀的用于燃料电池的电极，所压制成的“三合一”电极，其厚度误差小于电极本身厚度0.53mm的10％，能够满足燃料电池的工作要求。

附图说明

图1为双极板的氢流场图。

图2为双极板的空气流场图。

图3为双极板结构示意图。

图4为三合一电极图。

图5为三合一膜电极剖面图。

图6为本实用新型的压制燃料电池平板电极的热模具结构示意图。

图7为图6中的A---A向示意图。

具体实施方式

参见图6，本实用新型的压制燃料电池平板电极的热模具，包括上模1和与上模1配合的下模2，其特征在于，所说的上模1与下模2分别为设有加热介质进口3和加热介质出口4、内部具有空腔5的平板中空模具。

由图6同时可见，所说的加热介质进口3设置在上模1和下模2的一端，加热介质出口4设置在设置在上模1和下模2的另一端；

进一步，参见图7，空腔5中，加热介质进口3处设有加热介质均布装置7，以使加热介质能够从热介质进口3均衡的流向整个模具；

进一步，参见图7，空腔5中设有加热介质流道6，以使加热介质能够均衡的从加热介质进口3流向加热介质出口4。

Claims (6)

1.一种压制燃料电池平板电极的热模具，包括上模(1)和与上模(1)配合的下模(2)，其特征在于，所说的上模(1)与下模(2)分别为设有加热介质进口(3)和加热介质出口(4)、内部具有空腔(5)的平板中空模具。

2.根据权利要求1所述的压制燃料电池平板电极的热模具，其特征在于，所说的加热介质进口(3)设置在上模(1)和下模(2)的一端，加热介质出口(4)设置在设置在上模(1)和下模(2)的另一端。

3.根据权利要求2所述的压制燃料电池平板电极的热模具，其特征在于，空腔(5)中，加热介质进口(3)处设有加热介质均布装置(7)。

4.根据权利要求2所述的压制燃料电池平板电极的热模具，其特征在于，空腔(5)中设有加热介质流道(6)。

5.根据权利要求3所述的压制燃料电池平板电极的热模具，其特征在于，空腔(5)中设有加热介质流道(6)。

6.根据权利要求1所述的压制燃料电池平板电极的热模具，其特征在于，空腔(5)中，加热介质进口(3)处设有加热介质均布装置(7)。

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