[发明专利]一种用于热压制备燃料电池膜电极的压合模具装置有效

专利信息
申请号: 200710190632.9 申请日: 2007-11-27
公开(公告)号: CN101183717A 公开(公告)日: 2008-05-21
发明(设计)人: 朱长满;陈利康;刘建国 申请(专利权)人: 江苏雷石新能源科技有限公司
主分类号: H01M4/88 分类号: H01M4/88;H01M8/02
代理公司: 南京知识律师事务所 代理人: 黄嘉栋
地址: 226600江苏*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 一种 用于 热压 制备 燃料电池 电极 模具 装置
【说明书】:

技术领域

本发明涉及燃料电池电极的制备方法。

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装置。它不受卡诺热机循环的限制,能量转换效率高,无污染、无噪音、使用寿命长,因此在航天,交通,移动电源等领域有着广泛的应用前景。

燃料电池的核心部件是膜电极(MEA),它是燃料和氧化剂发生电化学反应产生电能的场所。单个膜电极如图1所示,它有离子交换膜1,离子交换膜1的两侧分别是阴极催化层2与阳极催化层2’,阴、阳极催化层的外侧分别是阴极扩散层3与阳极扩散层3’。催化层可以通过刷涂、喷涂、丝网印刷等方法制备在阴阳极扩散层上或通过刷涂、喷涂、丝网印刷、转印等方法直接制备在离子交换膜上,然后将带有催化层的扩散层和离子交换膜或将扩散层和带有催化层的离子交换膜切割到适当尺寸,对齐层叠在一起在一定温度和压力下热压、冷却定型形成膜电极(MEA),只有阴、阳两极催化层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。此外,由于单个燃料电池的电压较低,通常要将多节单电池按压滤机方式组合成电池组对外供电,其结构如图2所示,MEA21夹在极板22、双极板23中间,MEA21的周边和极板之间用密封垫24匹配密封,重复21、23、24直至所需节数。如果MEA两侧的扩散层或催化层任意一对垂直对齐偏差过大,不仅减小了实际的活性面积,而且给MEA在电池组中的密封定位带来不便,甚至偏差过大造成扩散层的边缘正好处在极板流道中间,在压紧力的作用下,扩散层会形变剥离离子交换膜,坍陷入流道,堵塞物料或氧化剂在流道中的传递,降低电池的性能,在电池组中会造成被堵塞的电极出现过早的传质极化,以至该节电池出现反压,烧毁电极现象。因此保证MEA中各层的垂直偏差在一定的公差范围之类,对燃料电池电池组的组装和性能来说至关重要。

专利1[CN1689181A]介绍了一种能够热压和转移膜电极这类具有薄膜材料部件的夹具和方法。利用两层带孔的平板来定位能够和扩散层、离子交换膜热溶或压合到一起的一种薄膜,薄膜上开有和扩散层形状相似但大小略小的孔。首先将阳极扩散层和阴极扩散层分别胶结或热压在薄膜上,并使扩散层完全覆盖住薄膜孔,再将二者用平板框对齐,中间夹上离子交换膜一起热压形成膜电极。其优点是薄膜可以完全覆盖保护住膜电极,方便搬移,容易实现自动化生产。但这种利用薄膜上的孔来定位扩散层的方法并不可靠和精确,薄膜本身容易变形,扩散层又完全覆盖在薄膜上热压时很容易滑动,并且最后制备的膜电极在扩散层和离子交换膜之间由于隔着一层薄膜而形成一个台阶,影响扩散层、催化层、离子交换膜的接触。而三者的接触电阻对电池的放电性能有极大的影响

专利2[CN 1653639 A]介绍了一种使压合后的膜电极脱离压合模具的装置和方法。利用机械机构轮流稳定压合模具上下模板,并用模板上的微孔对膜电极上下表面施加压力和抽真空使得膜电极脱离上下压合模板,再用机械抓握装置移离上模板,从下模板取出膜电极。该方法能够实现自动化的将膜电极从压合模具中取出。但这种自动化机械抓握手臂结构复杂,制造成本高,尤其对于小批量和单件生产现实意义不大。3[CN19977415A]提出了一种利用压辊热压离子聚合物、催化剂层,扩散层和保护性薄膜层,制造整体膜电极组件的层合方法。主要创新点在于在辊轴表面涂敷有聚合物弹性体,可以使压合力分布的更加均匀,从而消除扩散层表面高度差、保护性薄膜边框产生的台阶状高度差对压合的影响,一次性实现膜电极所有部件的压合。这种方法制备膜电极方便快捷,但仍然未能解决膜电极各个部件的准确定位问题,由于是滚动压合,膜电极在高温状态下就很快脱离了压合面,压合温度一般控制在离子交换膜的玻璃化转变温度,此时扩散层、催化层和离子交换膜的结合是不稳定的,所以该方法不能保证膜电极结合的可靠性,因为一般要将膜电极在压合状态下冷却到较低的温度再脱模,才能保证膜电极结合的可靠性。

发明内容

针对现有技术的不足,为克服以上问题,同时降低加工成本,本发明设计开发出一种能够实现膜电极各个组成部件精确对齐定位,可控压缩比,现场快速冷却定型、脱模的加温热压装置。

本发明是通过以下技术方案实现的:

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