專利名稱：用于制造五層膜電極組件的加熱加壓裝配架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造五層膜電極組件(MEA)的加熱加壓裝 配架。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于制造五層MEA的加熱加壓裝 配架，其中提供了外導(dǎo)向裝置以便將MEA從加熱板分離，金屬板整體 地連接到加熱板以便將金屬板的溫度保持一段預(yù)定的時(shí)間長(zhǎng)度，并且 提供了彈簧結(jié)構(gòu)以便根據(jù)氣體擴(kuò)散層的厚度來(lái)有效地調(diào)節(jié)外導(dǎo)向裝置 的位置。
背景技術(shù)：
燃料電池包括含有電極催化劑的MEA，其中燃料氣體如氫與空氣 反應(yīng)且電解質(zhì)膜在燃料電池中輸送氫離子。燃料電池還包括氣體擴(kuò)散層(GDL)以均勻擴(kuò)散通過(guò)分離器流場(chǎng) 供應(yīng)的氣體并有效地排出因電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的水。MEA、 GDL和分離器順序堆疊構(gòu)成燃料電池堆。在這種情況下， 如果MEA和GDL是模塊化的，則可以提高燃料電池堆的產(chǎn)量。以下將參照


五層MEA及其制造方法。圖1是五層MEA的示意圖，圖2A和2B是示出圖1所示五層MEA 的氣體擴(kuò)散層和電極催化劑之間的位置關(guān)系的示意圖。通常，由氫電極催化劑110、固體電解質(zhì)膜100和空氣電極催化劑 120組成的MEA 130稱為三層。GDL 140連接到MEA 130的兩側(cè)。為 制造方便， 一個(gè)MEA130和兩個(gè)GDL140粘合以生產(chǎn)最終產(chǎn)品，其被 稱為五層MEA90。為制造五層MEA90，多個(gè)部件順序堆疊、校準(zhǔn)、然后通過(guò)在預(yù)定 溫度下施加預(yù)定時(shí)間的壓力而粘合。溫度和壓力根據(jù)產(chǎn)品特性而變化，如果必要，為了粘合部件可以 向其中添加各種添加劑。在五層MEA 90的制造中，需要溫度和壓力可調(diào)的熱壓機(jī)和可以 將部件置于準(zhǔn)確位置的裝配架。通常，GDL 140、 MEA 130和GDL 140順序堆疊，并使用加熱的 熱板向兩個(gè)GDL 140均勻地施加壓力。這里，如圖2A所示，制造五層MEA卯所需考慮的一個(gè)關(guān)鍵在于， 兩個(gè)GDL140應(yīng)當(dāng)完全覆蓋MEA130的電極催化劑110和120，且兩 個(gè)GDL 140的位置應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確地彼此重合。如圖2B所示，如果GDL 140沒(méi)有完全覆蓋電極催化劑110和120， 則氣體不能被充分地供應(yīng)到催化劑，從而降低燃料電池的性能。另外， 如果GDL 140超出分離器的范圍，則不可能制造燃料電池。另外，如果兩個(gè)GDL 140的位置沒(méi)有相互重合，則在制造燃料電 池的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生力的不均衡，從而降低燃料電池的性能。關(guān)于這種加熱加壓裝配架(jig)，日本專利申請(qǐng)公開(kāi)第2000-208140 號(hào)公開(kāi)了一種包括平行配置的加熱式加壓主體的層壓裝置，電極構(gòu)件 插入其中以進(jìn)行加熱和加壓。另外，美國(guó)專利第6,613,470號(hào)公開(kāi)了一種在通過(guò)整體加熱加壓工 藝來(lái)制造MEA之前對(duì)要被臨時(shí)固定的組件進(jìn)行預(yù)加熱和預(yù)加壓的裝 配架。以下將參照?qǐng)D3詳細(xì)說(shuō)明用于制造五層MEA的常規(guī)加熱加壓裝配架。圖3是制造五層MEA的常規(guī)加熱加壓裝配架的示意圖。如該圖所 示，下金屬板160位于主體150之間，下GDL 170位于下金屬板160 之上，且MEA130堆疊于下GDL170之上。GDL導(dǎo)向裝置l卯安裝于MEA 130的兩側(cè)，上GDL 200位于其 上，且上金屬板覆蓋其上。然后，使用熱壓機(jī)(未示出)對(duì)其施加預(yù) 定溫度和壓力以形成五層MEA。在這種情況下，由于熱壓機(jī)的熱板(未示出)與上下金屬板160和210隔開(kāi)，因此難以保持溫度，并且需要耗費(fèi)大量時(shí)間以將上下金屬板160和210的溫度升高至所需水平。另夕卜，由于聚合體MEA 130置于加熱的下金屬板160上，MEA 130 可能因水分蒸發(fā)而起皺，從而降低粘合強(qiáng)度、MEA屬性和尺寸穩(wěn)定性。另外，在通過(guò)裝配架進(jìn)行的加壓工藝期間，與上下GDL200和170 的末端接觸的MEA 130的兩側(cè)可能在對(duì)上下GDL 200和170進(jìn)行加壓 時(shí)彎曲，從而受損。發(fā)明背景部分公開(kāi)的信息僅用作增進(jìn)對(duì)本發(fā)明背景的理解，而不 應(yīng)被看作是確認(rèn)或以任何形式暗示該信息形成本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的 現(xiàn)有技術(shù)。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明是為了解決上述缺點(diǎn)而做出的，且本發(fā)明的目的之 一是提供一種用于制造五層MEA的加熱加壓裝配架，其具有改進(jìn)的結(jié) 構(gòu)以有效地制造五層MEA。在一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種用于制造五層膜電極組件的加熱 加壓裝配架，該裝配架包括下金屬板、下導(dǎo)向裝置、導(dǎo)向彈簧、外 導(dǎo)向裝置、上金屬板、以及上板支架。下金屬板安裝于下加熱板的上 表面上。在下金屬板上，堆疊了下氣體擴(kuò)散層。下導(dǎo)向裝置安裝于下 金屬板的兩側(cè)，以便將下氣體擴(kuò)散層準(zhǔn)確地引導(dǎo)至預(yù)定位置。導(dǎo)向彈 簧安裝于下導(dǎo)向裝置下方，以彈性支承下導(dǎo)向裝置。外導(dǎo)向裝置安裝 于下導(dǎo)向裝置上方，以固定膜電極組件和上氣體擴(kuò)散層。上金屬板安 裝于上加熱板的底面上。當(dāng)壓機(jī)下移時(shí)，上金屬板對(duì)上氣體擴(kuò)散層加 壓。上板支架安裝于上金屬板的兩側(cè)。當(dāng)壓機(jī)下移吋，上板支架與外 導(dǎo)向裝置接觸。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，上板支架被上板彈簧彈性支承。 在另一優(yōu)選實(shí)施方式中，絕緣材料位于導(dǎo)向彈簧和下加熱板之間。 在又一優(yōu)選實(shí)施方式中，在外導(dǎo)向裝置的底部形成突起，且在下 導(dǎo)向裝置之上形成對(duì)應(yīng)于該突起的嵌入槽。

圖1是五層MEA的示意圖；圖2A和2B是示出圖1所示五層MEA的氣體擴(kuò)散層和電極催化 劑之間的位置關(guān)系的示意圖；圖3是用于制造五層MEA的常規(guī)加熱加壓裝配架的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的用于制造五層MEA的加熱加壓 裝配架的示意圖；且圖5是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的用于制造五層MEA的加熱加壓 裝配架的操作圖。!f圖中列出的附圖標(biāo)記包括對(duì)應(yīng)于下述元如下所進(jìn)一步討論地，件的標(biāo)記130:膜電極組件(MEA)200:氣體擴(kuò)散層(GDL)210:下金屬板230:下導(dǎo)向裝置270:外導(dǎo)向裝置220:導(dǎo)向彈簧260:絕緣材料 300:上金屬板具體實(shí)施方式
現(xiàn)在將參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其例子在后文所附附圖中示 出，其中相同的附圖標(biāo)記代表相同元件。以下對(duì)多個(gè)實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō) 明以通過(guò)參照附圖解釋本發(fā)明。圖4是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的用于制造五層MEA的加熱加壓 裝配架的示意圖。如圖所示，被導(dǎo)向彈簧220支承的下導(dǎo)向裝置230安裝于其上堆 疊有下氣體擴(kuò)散層(GDL) 170的下金屬板210的兩側(cè)。用于固定膜電 極組件(MEA) 130和上GDL 200的外導(dǎo)向裝置270設(shè)置在下導(dǎo)向裝 置230之上。另外，當(dāng)壓機(jī)360下移時(shí)分別對(duì)外導(dǎo)向裝置270和上GDL 200加壓的上板支架310和上金屬板300位于外導(dǎo)向裝置270之上。下金屬板210與下加熱板250上部整體形成在一起，以將下加熱 板250產(chǎn)生的熱傳輸至堆疊于下金屬板210之上的下GDL 170。下導(dǎo)向裝置230接近地安裝于下金屬板210的兩側(cè)以引導(dǎo)下GDL170，以便在將下GDL 170堆疊于下金屬210的上表面上時(shí)準(zhǔn)確定位。 在這種情況下，下導(dǎo)向裝置230之間的距離等于下GDL 170的長(zhǎng)度，且下導(dǎo)向裝置230的高度大于下金屬板210的高度，使得下GDL170位于下導(dǎo)向裝置230之間。另外，導(dǎo)向彈簧220安裝于下導(dǎo)向裝置230下方，使得當(dāng)上金屬板300和上板支架310被加壓時(shí)下導(dǎo)向裝置230收縮。導(dǎo)向裝置支架240靠近下導(dǎo)向裝置230設(shè)置，使得當(dāng)下導(dǎo)向裝置230收縮時(shí)下導(dǎo)向裝置230不被向外推動(dòng)。這里，絕緣材料260堆疊于導(dǎo)向彈簧220和導(dǎo)向裝置支架240的底部，使得下加熱板250的熱不直接傳遞至導(dǎo)向彈簧220和導(dǎo)向裝置支架240。外導(dǎo)向裝置270安裝于下導(dǎo)向裝置230上方，并且包括用于引導(dǎo) MEA 130的嵌入部分271、以及安裝于嵌入部分271的上表面上以引 導(dǎo)上GDL 200的導(dǎo)向部分272。在這種情況下，嵌入部分271之間的距離等于MEA 130的長(zhǎng)度， 且導(dǎo)向部分272之間的距離等于上下GDL 200和170的長(zhǎng)度。另外，在外導(dǎo)向裝置270的底部形成突起280,且在下導(dǎo)向裝置 230之上形成對(duì)應(yīng)于突起280的嵌入槽290，使得外導(dǎo)向裝置270被安 裝在下導(dǎo)向裝置230的準(zhǔn)確位置，從而使下GDL 170能夠完全覆蓋 MEA130的電極催化劑。與此類似，MEA 130和上GDL200分別安裝在外導(dǎo)向裝置270上， 使得其在壓機(jī)360運(yùn)行之前與下金屬板210隔開(kāi)，從而防止MEA 130 因加熱的下金屬板210而干燥變形。上金屬板300安裝于上加熱板340的底部中心，并在壓機(jī)360運(yùn) 行期間下移，從而對(duì)安裝于外導(dǎo)向裝置270上的MEA130和下GDL170 加壓。這里，上下金屬板300和210的尺寸與上下GDL 200和170的尺 寸相同，使得上下金屬板300和210的壓力均勻施于上下GDL 200和 170的整個(gè)表面。另外，具有內(nèi)部空間350的固定主體安裝于上金屬板300的兩側(cè)， 且部分上板支架310插入并安裝于固定主體330的內(nèi)部空間350內(nèi)，使得上板支架310可上下移動(dòng)。這里，上板彈簧320位于上板支架310和固定主體330之間，以 在上板支架310對(duì)外導(dǎo)向裝置270加壓時(shí)彈性支承上板支架310。接下來(lái)，將參照?qǐng)D5來(lái)說(shuō)明具有上述結(jié)構(gòu)的用于制造五層MEA的 加熱加壓裝配架的操作。圖5是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的用于制造五層MEA的加熱加壓 裝配架的操作圖。首先，下GDL 170安裝在下金屬板210的上表面上，且其上堆疊 有MEA 130和上GDL 200的外導(dǎo)向裝置270被安裝為與下導(dǎo)向裝置 230的嵌入槽290重合。之后，如圖5所示，根據(jù)安裝于壓機(jī)360之上的測(cè)壓元件(load cell) 370的壓力，通過(guò)壓機(jī)360的操作而下移上加熱板340，從而使安裝于 上加熱板340底部的上板支架30對(duì)外導(dǎo)向裝置270加壓。接下來(lái)，隨著上加熱板340進(jìn)一步下移，彈性支承下導(dǎo)向裝置230 的導(dǎo)向彈簧220收縮，使得MEA130與下GDL170接觸。之后，隨著 彈性支承上板支架30的上板彈簧320收縮，上金屬板300與上GDL 200接觸。這時(shí)，當(dāng)上下GDL 200和170受壓時(shí)引起厚度變化，外導(dǎo)向裝置 270隨導(dǎo)向彈簧220和上板彈簧320的收縮與松弛而移動(dòng)，由此插入外 導(dǎo)向裝置270內(nèi)的MEA130能夠免于彎曲。因此，當(dāng)各層被由上下加熱板340和250供熱的上下金屬板300 和210加熱和加壓預(yù)定時(shí)間時(shí)，形成了其中上GDL 200、 MEA130和 下GDL順序堆疊的五層MEA。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的用于制造五層MEA的加熱加壓裝配架提 供了下述有利效果(1) 由于金屬板與加熱板整體形成在一起，因此減少了在制造多 個(gè)五層MEA時(shí)每次將金屬板溫度升高至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的難度；(2) 由于MEA安裝在外導(dǎo)向裝置上，同時(shí)與下導(dǎo)向裝置隔開(kāi)預(yù) 定的間隔，因此可以避免MEA因加熱的金屬板而干燥、收縮和變形；(3) 由于下導(dǎo)向裝置和上板支架分別由彈簧彈性支承，因此外導(dǎo) 向裝置能夠有效地實(shí)時(shí)應(yīng)付當(dāng)上下GDL受壓時(shí)引起的厚度變化，從而防止MEA彎曲；以及(4) MEA和GDL的尺寸根據(jù)新車輛模型的開(kāi)發(fā)而變化時(shí)，可以 僅僅更換新設(shè)計(jì)并制造的裝配架，從而在不更換壓機(jī)的情況下以低成 本制造五層MEA。已參照優(yōu)選實(shí)施方式詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明。但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可 以理解，可對(duì)這些實(shí)施方式做出改變而不背離范圍由所附權(quán)利要求及 其等效物界定的本發(fā)明的原理和精神。
權(quán)利要求
1.一種用于制造五層膜電極組件的加熱加壓裝配架，所述裝配架包括安裝于下加熱板的上表面上的下金屬板，其上堆疊有下氣體擴(kuò)散層；安裝于下金屬板的兩側(cè)以將下氣體擴(kuò)散層準(zhǔn)確引導(dǎo)至預(yù)定位置的下導(dǎo)向裝置；安裝于下導(dǎo)向裝置下方以彈性支承下導(dǎo)向裝置的導(dǎo)向彈簧；安裝于下導(dǎo)向裝置之上以固定膜電極組件和上氣體擴(kuò)散層的外導(dǎo)向裝置；安裝于上加熱板的底面上的上金屬板，其在壓機(jī)下移時(shí)對(duì)上氣體擴(kuò)散層加壓；以及安裝于上金屬板的兩側(cè)的上板支架，其在壓機(jī)下移時(shí)與外導(dǎo)向裝置接觸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造五層膜電極組件的加熱加壓裝 配架，其中所述的上板支架被上板彈簧彈性支承。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造五層膜電極組件的加熱加壓裝 配架，其中絕緣材料位于所述導(dǎo)向彈簧和所述下加熱板之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造五層膜電極組件的加熱加壓裝 配架，其中在所述外導(dǎo)向裝置的底部形成突起，且在所述下導(dǎo)向裝置 之上形成對(duì)應(yīng)于該突起的嵌入槽。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于制造五層膜電極組件(MEA)的加熱加壓裝配架，其中金屬板與加熱板整體形成在一起以減少當(dāng)制造多個(gè)五層MEA時(shí)每次將金屬板溫度升高至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的難度；MEA安裝在外導(dǎo)向裝置上，同時(shí)與下導(dǎo)向裝置隔開(kāi)預(yù)定的間隔，以避免MEA因加熱的金屬板而干燥、收縮和變形；且下導(dǎo)向裝置和上板支架分別被彈簧彈性支承，使得外導(dǎo)向裝置能夠?qū)ι舷職怏w擴(kuò)散層受壓時(shí)引起的厚度變化做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，從而避免MEA彎曲。
文檔編號(hào)H01M8/10GK101404333SQ200710307058
公開(kāi)日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月1日
發(fā)明者曹相鉉, 申換秀 申請(qǐng)人:現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社;起亞自動(dòng)車株式會(huì)社