專利名稱：一種壓制燃料電池平板電極的熱模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)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熱模具。
背景技術(shù)：
電化學燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)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(yīng)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(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)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(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)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(yīng)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(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)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(zhì)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(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)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(zhì)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(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
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(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)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(zhì)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(jīng)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(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學放熱反應(yīng)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(yīng)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(zhì)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(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)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(zhì)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(shù)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(shù)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(gòu)成冷卻夾套的膠接密封；12為質(zhì)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。
“三合一”膜電極中的質(zhì)子交換膜是一種全氟磺酸樹脂塑料，其玻璃化溫度一般在100℃以上，所以為了壓制時使“三合一”電極互相交接牢靠，不脫膠，必須在其玻璃化溫度以上壓制，一般在100℃～180℃之間壓制，才能保證“三合一”電極交接良好。所以在壓制電極的平面必須進行加熱，而且在壓制平板工作區(qū)域內(nèi)的溫度必須非常均勻，一般為±1℃。否則，某些區(qū)域過熱，某些區(qū)域過冷，在壓制“三合一”電極時，會造成在相同壓力下，過熱區(qū)域電極厚度過小，過冷區(qū)域電極厚度過大，三極厚度均一性差的情況。
目前技術(shù)一般采用在壓制平板機上的上、下模板設(shè)置用電加熱裝置，例如美國PHI公司的產(chǎn)品——高精度上、下模板電加熱的燃料電池電極壓制平板機。
但是，電加熱有以下的技術(shù)缺陷1.必須鋪設(shè)電阻值非常一致、均勻的加熱電阻絲，價格很高；2.隨著時間的推移，往往會有一些電阻絲發(fā)生老化，電阻值變化，使加熱性能變化，從而達不到整個壓制模板表面溫度均勻性(一般為±1℃)的要求；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％。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型需要解決的技術(shù)問題是設(shè)計一種壓制燃料電池平板電極的熱模具，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷。
本實用新型的壓制燃料電池平板電極的熱模具，包括上模和與上模配合的下模，其特征在于，所說的上模與下模分別為設(shè)有加熱介質(zhì)進口和加熱介質(zhì)出口、內(nèi)部具有空腔的平板中空模具。
術(shù)語“中空”指地是上模和下模均為一個空心的盒體。
本實用新型的工作原理是這樣的當需要壓制電極時，將電極材料置于上模和下模之間，然后將已經(jīng)被加熱的加熱介質(zhì)由流體傳輸機械通過加熱介質(zhì)進口分別送入上模和下模，然后再從加熱介質(zhì)出口流出模具。由于流體在模具中連續(xù)的流動，因此，可使整個上模和下模的溫度處于均衡，使整個模具的溫差不大于±1℃，從而可獲得厚度均勻的電極。
具體操作步驟一.將加熱油箱中的油加熱到180℃，并將油泵泵入加熱模具上、下模的腔體內(nèi)。
加熱油箱中的油溫度，由溫度傳感器與PID控制器測量并控制加熱，控制加熱油溫度在180℃±1℃之間，油泵流量足夠大，大約為100升/分鐘，保證上、下模表面溫度為180℃±1℃。
二.上、下模開模。
三.將一張質(zhì)子膜放在二張電極中間，并放入下模表面上。
四.迅速合模，合模壓強為500個大氣壓，一分鐘后取出。
由上述公開的技術(shù)方案可見，本實用新型的“三合一”電極模具，無須在模具上設(shè)置加熱裝置，結(jié)構(gòu)簡單，模具的溫差極小，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“三合一”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(jié)構(gòu)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為本實用新型的壓制燃料電池平板電極的熱模具結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為圖6中的A---A向示意圖。
具體實施方式
參見圖6，本實用新型的壓制燃料電池平板電極的熱模具，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分別為設(shè)有加熱介質(zhì)進口3和加熱介質(zhì)出口4、內(nèi)部具有空腔5的平板中空模具。
由圖6同時可見，所說的加熱介質(zhì)進口3設(shè)置在上模1和下模2的一端，加熱介質(zhì)出口4設(shè)置在設(shè)置在上模1和下模2的另一端；進一步，參見圖7，空腔5中，加熱介質(zhì)進口3處設(shè)有加熱介質(zhì)均布裝置7，以使加熱介質(zhì)能夠從熱介質(zhì)進口3均衡的流向整個模具；進一步，參見圖7，空腔5中設(shè)有加熱介質(zhì)流道6，以使加熱介質(zhì)能夠均衡的從加熱介質(zhì)進口3流向加熱介質(zhì)出口4。
權(quán)利要求1.一種壓制燃料電池平板電極的熱模具，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)分別為設(shè)有加熱介質(zhì)進口(3)和加熱介質(zhì)出口(4)、內(nèi)部具有空腔(5)的平板中空模具。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓制燃料電池平板電極的熱模具，其特征在于，所說的加熱介質(zhì)進口(3)設(shè)置在上模(1)和下模(2)的一端，加熱介質(zhì)出口(4)設(shè)置在設(shè)置在上模(1)和下模(2)的另一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓制燃料電池平板電極的熱模具，其特征在于，空腔(5)中，加熱介質(zhì)進口(3)處設(shè)有加熱介質(zhì)均布裝置(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓制燃料電池平板電極的熱模具，其特征在于，空腔(5)中設(shè)有加熱介質(zhì)流道(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓制燃料電池平板電極的熱模具，其特征在于，空腔(5)中設(shè)有加熱介質(zhì)流道(6)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓制燃料電池平板電極的熱模具，其特征在于，空腔(5)中，加熱介質(zhì)進口(3)處設(shè)有加熱介質(zhì)均布裝置(7)。
專利摘要本實用新型設(shè)計了一種壓制燃料電池“三合一”膜電極的可加熱模具。該模具包括上模和與上模配合的下模，其特征在于，所說的上模與下模分別為設(shè)有加熱介質(zhì)進口和加熱介質(zhì)出口、內(nèi)部具有空腔的平板中空模具。本實用新型的“三合一”膜電極模具，無須在模具上設(shè)置直接電加熱裝置，結(jié)構(gòu)簡單，模具的溫差極小，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“三合一”膜電極，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H01M8/02GK2789944SQ200420107969
公開日2006年6月21日 申請日期2004年11月4日 優(yōu)先權(quán)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