專利名稱：一種能夠自動調節(jié)平行度的平板電極模具的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種模具，特別涉及一種用于壓制燃料電池平板電極的模具。
背景技術：
電化學燃料電池是一種能夠將氫及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發(fā)電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發(fā)生電化學發(fā)應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應，形成反應產物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆發(fā)式反應。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達陽極反應陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導流極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導流極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流板與陰極氧化劑的導流板。這些導流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可用作手提式、移動式、固定式的發(fā)電裝置。
目前典型的質子交換膜燃料電池單電池一般由一張膜電極(MEA)與二塊導流極板組成。膜電極一般均放在二塊導電的極板中間，每塊導電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導電極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流極板與陰極氧化劑的導流極板。這些導流極板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流極板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定的方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
所以目前的燃料電池組裝配技術一般都可以使燃料電池組拆分成許多塊導流極板(或雙極板)及膜電極(三合體MEA)。例如Us Patent 5804326、Us Patent 6066409上面所描述的多種燃料電池堆每個重復單電池單元都由導流極板(或雙極板)及膜電極(三合體MEA)裝配而成，而且導流極板(或雙極板)及膜電極都是獨立的部分，且可以反復拆裝成電池堆。燃料電池堆的這種組裝技術對燃料電池堆的密封提出了非常高的要求。為了讓燃料電池堆中的氫氣、空氣、冷卻流體各自按自己的流體通道進、出，互相不滲漏，每塊極板(或雙極板)與膜電極之間都要求有很好的密封裝置。如圖1～圖5所示。圖中，8為雙極板的導氫氣流槽面；9為導空氣流槽面；10為雙極板；11為雙極板中二部分構成冷卻夾套的膠接密封；12為質子交換膜；13為三合一電極。
所以燃料電池“三合一”膜電極壓制時必須保證整個“三合一”膜電極平面的厚薄均勻度一致。
目前，常用的燃料電池的電極一般為平板電極，該平板電極是通過模具直接壓制而成的，不能保證在壓制過程中相同壓力下，電極厚度總的誤差不超過本身厚度的10％。而為了達到壓制的產品能夠符合均勻度的要求，需要通過十分細致的調節(jié)，工作量大。因此，開發(fā)研究一種新的用于壓制燃料電池的模具，是有關部門所十分期望的。
發(fā)明內容
本實用新型需要解決的技術問題是設計一種能夠自動調節(jié)平行度的平板電極模具，以克服現(xiàn)有技術存在的上述缺陷。
本實用新型的能夠自動調節(jié)平行度的平板電極模具，包括上模和與上模配合的下模，其特征在于，所說的上模與下模的配合處固定有能夠自動調節(jié)上模和下模平行度的彈性平板狀平行度調節(jié)裝置。
本實用新型的工作原理是這樣的將需要壓制的電極材料置于上模和下模之間，啟動模具，當上模壓向下模，并與下模接觸時，彈性平板狀平行度調節(jié)裝置將依靠自身的彈性，自動調節(jié)上模與下模水平面之間各個位置的間隙，使上模與下模的接觸面保持同一水平面，從而可獲得厚度均勻的電極。
由上述公開的技術方案可見，本實用新型的平板電極模具，結構簡單，無須改變整個模具的結構，即能夠壓制獲得厚度均勻的用于燃料電池的電極，所壓制成的平板電極，其厚度誤差小于電極本身厚度0.53mm的10％，能夠滿足燃料電池的工作要求。
圖1為雙極板的氫流場圖。
圖2為雙極板的空氣流場圖。
圖3為雙極板結構示意圖。
圖4為三合一電極圖。
圖5為三合一膜電極剖面圖。
圖6為本實用新型的平板電極模具的結構示意圖。
圖7為本實用新型的另一個實施例。
圖8為具有彈性元件的平板電極模具。
圖9為圖8中的A---A向示意圖。
具體實施方式
參見圖6，本實用新型的能夠自動調節(jié)平行度的平板電極模具，包括上模1和與上模配合的下模2，其特征在于，所說的上模1與下模2的配合處固定有能夠自動調節(jié)上模1和下模2平行度的彈性平板狀平行度調節(jié)裝置3；由圖6同時可見，所說的彈性平板狀平行度調節(jié)裝置3固定設置在上模1的底部；由圖7可見，所說的彈性平板狀平行度調節(jié)裝置3固定設置在下模2的上部；由圖6和圖7可見，所說的彈性平板狀平行度調節(jié)裝置3包括平板301和彈簧302，所說的彈簧302的一端與上模1的底部固定連接，另一端與平板301固定連接，從而將平板301固定連接于上模的底部；圖2所示的彈性平板狀平行度調節(jié)裝置3與圖1所示的基本相同，該彈性平板狀平行度調節(jié)裝置3包括平板301和彈簧302，所說的彈簧302的一端與下模2的上部固定連接，另一端與平板301固定連接，從而將平板301固定連接于下模的上部。
圖8和圖9為本實用新型的再一個實施例的截面圖。由圖3和圖4可見，所說的彈性平板狀平行度調節(jié)裝置3包括平板301和框體狀的彈性元件303，框體狀的彈性元件303的一邊與平板301固定連接，另一邊與上模的下部固定連接，所說的彈性元件303可采用彈性高分子材料，如橡膠、聚氨酯等。
當然，也可將所說的彈性高分子材料制成平板，墊襯在所說的平板301與上模1或下模2之間。
權利要求1.一種能夠自動調節(jié)平行度的平板電極模具，包括上模(1)和與上模(1)配合的下模(2)，其特征在于，所說的上模(1)與下模(2)的配合處固定有能夠自動調節(jié)上模(1)和下模(2)平行度的彈性平板狀平行度調節(jié)裝置(3)。
2.根據權利要求1所述的能夠自動調節(jié)平行度的平板電極模具，其特征在于，所說的彈性平板狀平行度調節(jié)裝置(3)固定設置在上模(1)的底部。
3.根據權利要求1所述的能夠自動調節(jié)平行度的平板電極模具，其特征在于，所說的彈性平板狀平行度調節(jié)裝置(3)固定設置在下模(2)的上部。
4.根據權利要求2所述的能夠自動調節(jié)平行度的平板電極模具，其特征在于，所說的彈性平板狀平行度調節(jié)裝置(3)包括平板(301)和彈簧(302)，所說的彈簧(302)的一端與上模(1)的底部固定連接，另一端與平板(301)固定連接。
5.根據權利要求3所述的能夠自動調節(jié)平行度的平板電極模具，其特征在于，彈性平板狀平行度調節(jié)裝置(3)包括平板(301)和彈簧(302)，所說的彈簧(302)的一端與下模(2)的上部固定連接，另一端與平板(301)固定連接。
6.根據權利要求1所述的能夠自動調節(jié)平行度的平板電極模具，其特征在于，所說的彈性平板狀平行度調節(jié)裝置(3)包括平板(301)和框體狀的彈性元件(303)，框體狀的彈性元件(303)的一邊與平板(301)固定連接，另一邊與上模(1)的下部固定連接。
7.根據權利要求1所述的能夠自動調節(jié)平行度的平板電極模具，其特征在于，所說的彈性平板狀平行度調節(jié)裝置(3)包括平板(301)和彈性高分子材料制成的平板，平板墊襯在所說的平板(301)與上模(1)或下模(2)之間。
專利摘要本實用新型設計了一種能夠自動調節(jié)平行度的平板電極模具。該模具包括上模和與上模配合的下模，其特征在于，所說的上模與下模的配合處固定有能夠自動調節(jié)上模和下模平行度的彈性平板狀平行度調節(jié)裝置。本實用新型的平板電極模具，結構簡單，無須改變整個模具的結構，即能夠壓制獲得厚度均勻的用于燃料電池的電極，所壓制成的平板電極，其厚度誤差小于電極本身厚度0.53mm的10％，能夠滿足燃料電池的工作要求。
文檔編號H01M4/88GK2738403SQ20042010796
公開日2005年11月2日 申請日期2004年11月4日 優(yōu)先權日2004年11月4日
發(fā)明者胡里清, 李拯 申請人:上海神力科技有限公司