专利名称：用于膜电极组件的垫圈模铸系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及用于电化学装置(诸如燃料电池)中的膜电极组件。 具体地讲，本发明涉及将垫圈模铸到膜电极组件的系统。
背景技术：
燃料电池是电化学装置，此类装置通过燃料(诸如氢)和氧化剂 (诸如氧气)的催化组合，产生可用的电。与传统的发电设备(诸如 内燃发电机)不同，燃料电池不利用燃烧。因而，燃料电池产生的危 害性流出物很少。燃料电池将氢燃料和氧气直接转化为电，并且相对 于内燃发电机来讲，操作可以更高效。因为单独的燃料电池产生的能
量不多(例如，在约0.7-0.9伏特之间)，可以将多个燃料电池排列在 一起，形成一个堆叠件，以产生足够的电能来操作机动车辆，以及远 程提供电能。
燃料电池(诸如质子交换膜(PEM)燃料电池)通常包含由设置在 一对气体扩散层之间的催化剂涂覆膜所形成的膜电极组件(MEA)。催 化剂涂覆膜本身通常包括设置在一对催化剂层之间的电解质膜。该电 解质膜的两面分别称为阳极部分和阴极部分。在典型的PEM燃料电 池中，氢燃料被引导到阳极部分，在那里氢发生反应并且分解成质子 和电子。电解质膜将质子传送到阴极部分，同时允许电子流流过外部 电路到达阴极部分，以提供电能。氧气被引导到阴极部分，与质子和 电子发生反应生成水和热。
MEA通常由垫圈密封，以防止受压气体和液体逸出。为了确保受 压气体和液体不绕过电解质膜，垫圈一般被模制在围绕MEA周边的 区域。然而，垫圈模铸系统存在的一个共同问题是系统MEA的压縮可能过度或不足。过度压缩可能使MEA的阳极部分和阴极部分透过
各自的电解质膜接触，导致短路。另一方面，压縮不足可能导致垫圈
材料模铸到MEA周围不期望的位置上。因此，需要一种垫圈模铸系 统，该系统能够减少模铸过程中过度压縮和压縮不足的风险。
发明内容
本发明涉及用于模铸垫圈到MEA的系统。该系统包括模具腔 体，其至少部分地由可封闭的模块限定；和至少一个注口，用于将垫 圈材料注入到模具腔体中。该系统还包括支架，该支架使MEA保 持在靠近模具腔体的位置；和模具镶件，用于对保持在支架上的MEA 施加压力，可相对于可封闭的模块独立移动。在垫圈制模操作过程中， 该系统能够为MEA提供适当水平的压力，因此减小出现过度压縮和 压縮不足的风险。
图1是本发明模铸系统的等比例侧视图。 图2是模铸系统的截面视图。图3是取自图2中的部分3的展开图，示出模铸在模铸系统腔 体内MEA上的垫圈。
图4是适于所述模铸系统使用的可供选择的MEA的剖面透视 图，以及模铸到所述可供选择的MEA上的垫圈。
图5a-5c是适于模铸系统使用的可供选择的电解质膜的俯视图。
图6是本发明的可供选择的模铸系统一部分的展开截面图。
图7是取自图6中的部分7的展开图，示出模铸在可供选择的 模铸系统的腔体内MEA上的垫圈。
图8是适用于可供选择的模铸系统的、可供选择的MEA的剖 面透视图，以及模铸到所述可供选择的MEA上的垫圈。
图9a和％是本发明的双面注入模铸系统的一部分的展开截面图。尽管上述各图提出了本发明的数种实施例，但正如本文中所提到 的，还可以考虑到其它的实施例。在所有情况下，本公开均以示例性 而非限制性的方式描述本发明。应该理解，本领域的技术人员可以设 计出大量其它修改形式和实施例，这些修改形式和实施例均在本发明 原理的范围和精神之内。各图可能未按比例绘制。各图使用类似的参 考标记来指示类似部件。
具体实施例方式
图1是本发明模铸系统IO(适于将垫圈模铸到MEA上的系统)
的等比例侧视图。如图所示，模铸系统10包括顶部模块12、底部
模块14、模具镶件16、支架18、和过程控制单元20。顶部模块12 和底部模块14是可封闭的注塑模模块，其中顶部模块12通过使用 标准的运动系统(诸如，使用液压系统、机械系统、或气动系统)能 够沿着A轴方向运动，从而与底部模块14分开和闭合。在一种备用 的结构中，底部模块14可以为能够沿着A轴移动的模铸模块，并且 顶部模块12是固定的。本文使用的方向取向(诸如"顶部"和"底 部")是为了便于论述，而没有限制作用。
顶部模块12包括围墙22，所述围墙横向地在凹陷部分24四 周延伸，并且限定所述凹陷部分。顶部模块12也包括开口 26 (以 虚线显示)，通过所述开口以可移动的方式保持模具镶件16。凹陷部 分24是在模具镶件16四周横向延伸的围墙22内的凹槽。凹陷部 分24包括成图案的表面28，该表面包括多个重复图案，以形成有 "凸起脊微结构化接触图案"和"重复结构"的垫圈，如Wald等人 的美国专利申请公开No.2003/0211378和待决的、名称为"Gasketed Subassembly For Use In Fuel Cells"(用于燃料电池的垫圈子组件)(代 理人案巻号61026US002)的美国专利申请中(两者均是共同转让的) 所公开。
模具镶件16包括接触表面30,它是平表面，用于在垫圈模铸操作过程中，对保持在模铸系统10内的MEA (未示出)施加压力。 模具镶件16的接触表面30可以包括适形表面(例如，橡胶表面)， 以提高在MEA上所施加压力的均匀性。作为另外一种选择，模具镶 件16的接触表面30可以包括在接触表面30横向边缘周围延伸的 周边凸缘(未示出)。在这个实施例中，接触表面30的中部从周边 凸缘凹入(例如，约200微米或更小)，并且在垫圈模铸操作过程中， 周边凸缘接触保持在模铸系统10内的横向边缘并在其周围施加压 力。
如下文所论述，模具镶件16可以独立于顶部模块12，在开口 26 内沿着A轴移动。这就允许模具镶件16独立地调整施加到MEA上 的压力，以此减小过度压縮MEA和对MEA压縮不足的风险。模具 镶件16可采用标准的动力系统(诸如，液压、机械、或气动系统) 驱动。通过信号线20a，此类动力系统可以与过程控制单元20通信。 过程控制单元20是一种自动化系统，监控模具镶件16施加到给定 MEA的压力。所施加的压力可以由通过信号线20b与过程控制单元 20通信的力传感器监控，诸如，压力片或测力传感器(例如，应变仪 测力传感器)。过程控制单元20可以为任意适于根据感应到的施加 压力控制模具镶件16移动的系统。在可供选择的实施例中，模具镶 件16的移动可以不使用过程控制单元20，而实行手动控制。
底部模块14包括围墙32,所述围墙横向地在凹陷部分34四周 延伸，并对其进行限定。凹陷部分34是围墙32内在支架18四周 横向延伸的凹槽，与凹陷部分24相似。凹陷部分34包括成图案的 表面36，所述表面包括与成图案的表面28相似的重复图案。在可供 选择的实施例中，成图案的表面28和26可以整合不同的图案，或 者作为另外一种选择，成图案的表面28和26中的一个或全部可以 没有重复图案。
支架18是固定到底部模块14上的镶件，并且与模具镶件16对齐。在一个可供选择的实施例中，支架18可以与底部模块14整 体地形成。支架18包括用于在垫圈模铸操作过程中保持MEA的表 面38。模具镶件16的表面38也可以包括适形表面(例如，橡胶表 面)，以提高在MEA上所施加压力的均匀性。
如图1中进一步所示，顶部模块12也包括注口 40，所述注口 是成图案的表面28上的开口，用于注入垫圈材料。虽然图中只示出 一对注口 40，但是模铸系统10可以包括多个注口，分布在不同的位 置处，诸如在成图案的表面28和36中、在围墙22和32 (分别退 入凹陷部分24和34中)中、以及它们的组合。在一个实施例中， 注口 40可以定位在所得的垫圈中创建歧管开口的位置处(用于帮助 传送气体和/或液体通过垫圈)。
如下文所述，模铸系统10适于将垫圈模铸到MEA上，其中模 具镶件16可以沿着A轴调整，以减小过度压縮MEA和MEA压 縮不足的风险。如此可保持MEA的结构完整性，并改善MEA和垫 圈之间的连接。
图2是模铸系统10的截面视图，示出顶部模块12与底部模块 14闭合，MEA42设置在模具镶件16和支架18之间。为了便于讨 论，MEA层42的厚度在图2中被夸大。在垫圈模铸操作过程中， MEA42可以自动或者手动的方式放置在支架18上。当MEA42保 持在支架18上时，顶部模块12可以与底部模块14闭合，以限定 腔体44。腔体44在MEA 42周围横向延伸，并且具有对应于凹陷 部分24和34 (如图1所示)的体积。另外，当顶部模块12与底 部部分14闭合时，模具镶件16的接触表面30紧压MEA 42，这 就将MEA42压向支架18的表面38。
顶部模块12与底部模块14以大小预先设定的力闭合，以有效 地密封周边22和周边32。这就能防止在垫圈模铸操作过程中，垫圈材料从模铸系统10中流出。因此，如果模具镶件16固定到顶部模
块12上(即不能单独移动)，那么对于每次注入，模具镶件16的 接触表面30与支架18的表面38之间的相对距离将是常数。这就 会使对保持在支架18上的MEA (例如，MEA 42)所施加的压力根 据给定的MEA层的厚度而变化。例如，如果给定MEA的层厚度较 高(例如，l，OOO微米)，该MEA可能被过度压縮，潜在地导致短 路。另一方面，如果给定MEA的层厚度较低(例如，200微米)， 该MEA可能压縮不足，这就可能导致注入的垫圈材料不理想地在 MEA和表面30及表面38之间流动。
然而，模具镶件16相对于顶部模块12 (和底部模块14)是可 独立移动的。因此，通过沿着A轴调整模具镶件16的位置，可以使 由模具镶件16施加到MEA42的压力保持恒定。这就能减小在垫圈 模铸操作过程中过度压縮MEA 42和MEA 42压縮不足的风险。因 此，顶部模块12与底部模块14闭合时，模具镶件16可沿着顶部 模块12的方向，向支架18和MEA42移动。在这段时间内，过程 控制单元20实时监控模具镶件16施加的压力。
当模具镶件16接触MEA42时，施加到MEA42的受监控的 压力相应地增加。模具镶件16继续将MEA 42压向支架18，直到 达到预设的、所需的压力。过程控制单元20随后将MEA42保持在 那个位置(相对于底部模块14和支架18，不考虑顶部模块12的移 动)。例如，如果MEA42的层厚度较高，模具镶件16可以达到所 需的压力，并在顶部模块12到达底部模块14前保持它的位置。这 样能减小顶部模块12继续向底部模块14移动时过度压縮MEA 42 的风险。另一方面，如果MEA42的层厚度较低，在顶部模块12与 底部模块14密封后，模具镶件16可以继续压縮MEA 42，直到达 到所需的压力。这就能相应地减小MEA42压縮不足的风险。
当顶部模块12和底部模块14密封在一起'并且模具镶件16以所需的压力压縮MEA42时，垫圈材料可以通过注口 40注入到腔 体44。可用于形成垫圈46的垫圈材料的实例包括弹性体材料，诸 如橡胶、硅氧垸弹性体、热塑性弹性体、热固性弹性体、弹性体粘接 剂、含苯乙烯的两嵌段和三嵌段共聚物、以及它们的组合。
注入的垫圈材料基本上填满腔体44，并且适应于MEA42的外边 缘以及成图案的表面28和36的外边缘。固化时，所述垫圈材料形 成固定到MEA42外边缘的垫圈(未示出)。另外，该垫圈具有成图 案的表面28和36形成的重复图案(如上文所论述)，这就提高了 垫圈的密封效率。
图3是取自图2中的部分3的展开图，示出在腔体44内形成 的垫圈46。如图3进一步所示，MEA 42包括设置在扩散层50和 52之间的电解质膜48，其中气体扩散层50和52延伸到电解质膜 48的外边缘以外，以限定间隙53。当垫圈材料注入到腔体44中时， 垫圈材料渗透进入间隙53，以增强MEA 42和所得垫圈46之间的 连接。
各种可注入垫圈材料的共同问题是给定垫圈材料的粘度和其它 流动特性在不同生产批次之间可能有显著的差异。因此，注入的垫圈 材料的力在各次注入之间可能不同，这就可能影响垫圈材料渗透进入 间隙53的程度。针对这种情况，模具镶件16的位置是可以调整的， 以便相应地调整施加到MEA42的压力。这样可使垫圈材料以所需的 量渗透进入间隙53。例如，如果垫圈材料有高粘度，可以减小模具镶 件16施加到MEA42的压力，以减小渗透进入间隙53所需的力。 另一方面，如果垫圈材料有低粘度，所施加的压力可以增加，以防止 受压的垫圈材料在电解质膜48和气体扩散层50/52之间流动。
垫圈46模制到MEA 42上之后，顶部模块12和模具镶件16 可以与底部模块14分开，并且可以移除所得的垫圈MEA 42。垫圈
1146在MEA 42的外边缘周围延伸，以防止在电化学装置(例如，燃 料电池)使用的过程中，受压气体和液体绕过电解质膜48。控制垫圈 模铸操作过程中施加到MEA42的压力，可允许垫圈46牢固地连接 到MEA 42的外边缘，同时还可减小过度压縮MEA 42和MEA 42 压縮不足的风险。
图4是MEA42a和垫圈46的剖面透视图，其中MEA 42a是 MEA42的替代设计，并且包括电解质膜48a和气体扩散层50a和 52a。如图所示，在间隙53内，电解质膜48a具有在整个电解质膜48a 外边缘周围延伸的锯齿边缘轮廓。锯齿边缘轮廓可增加MEA42a和垫 圈46之间的表面积，进而增强MEA 42a和垫圈46之间的连接。 注入到腔体44中时，垫圈材料渗透进入间隙53,并且适应于电解质 膜48a的锯齿边缘轮廓。如上文所论述，可以通过调整模具镶件16 施加到MEA42的压力，来解决所注入的垫圈材料的粘度变化。这可 改善垫圈材料渗透进入间隙53并适应于电解质膜48a的锯齿边缘 轮廓的程度。
图5a-5c分别是电解质膜48a、 48b和48c的俯视图，示出适 用的MEA 42边缘轮廓的实例。除图4和5a中示出的锯齿边缘轮 廓外，适于电解质膜的边缘轮廓可以包括T型缺口 (电解质膜48b) 和狭槽型缺口 (电解质膜48c)。基本上，可以使用任何能增加间隙53 内MEA42和垫圈46之间接触面积的边缘轮廓设计。
图6是模铸系统110 —部分的展开截面图，模铸系统110与上 面所讨论的模铸系统10 (相应的参考标记都增加"100")类似。模 铸系统110适于将垫圈模铸到MEA 142上，MEA 142与MEA 42 相似，不同的是电解质膜148延伸到腔体144中。电解质膜148可 以包括设置在电解质膜148的两侧上的子垫圈层(未示出)，以进一 步密封MEA 142以及为设置在腔体144内部的电解质膜148的一 部分提供机械支承。如进一步所示，模铸系统110包括注口 140a和140b，其.中注 口 140a与以上在图2中所论述的注口 40相同。注口 140b也类似 于注口 40,不同的是注口 140b延伸通过底部模块114。注口 140a 和140b的使用允许垫圈从电解质膜148的两侧注入腔体144中， 由此在电解质膜148的两侧形成垫圈(未示出)。
图7是取自图6中的部分7的展开图，示出在腔体144内邻 近于电解质膜148的相背表面处形成的垫圈146a和146b。固化时， 垫圈146a和146b被固定到电解质膜148上，并以和垫圈46相同 的方式实现阻止受压气体和液体在使用过程中绕过电解质膜148的 功能。
图8是MEA 142a的剖面透视图，MEA 142a是MEA 142的 替代设计，并且包括电解质膜148a和气体扩散层150a和152a。 如图所示，气体扩散层150a和152a各自具有在MEA 142a的整个 外边缘周围延伸的锯齿边缘轮廓，这可改善MEA 142a和垫圈146之 间的连接。注入腔体144中时，垫圈材料适应于气体扩散层150a和 152a的锯齿边缘轮廓。也可以采用上文所述的方式，调整模具镶件 116施加到MEA 142a的压力，来解决所注入的垫圈材料的粘度变化。 这可改善垫圈材料适应于气体扩散层150a和152a的锯齿边缘轮廓 的程度。在可供选择的实施例中，气体扩散层150a和152a可以整 合替代边缘轮廓设计，诸如以上在图5a-5c中所论述的电解质膜的边 缘外形设计48a-48c。
图9a和9b是模铸系统210的一部分的展开截面图，模铸系统 210是上文所述的模铸系统10和110的替代系统(与模铸系统10 相比，对应的参考标记都增加"200")。如下文所述，模铸系统210 是双面注入铸模系统，该系统将垫圈材料注入到MEA 242的电解质 膜248的两侧。如图9a所示，顶部模块212和底部模块214不包括与模铸系 统10的成图案的表面28和36类似的成图案的表面。相反，模铸 系统210包括定位在电解质膜248相背的面上的腔体镶件254和 256。腔体镶件254和256包括成图案的表面228和236，其功能 及实现方式与上文图1中所述的成图案的表面28和36相同。
腔体镶件254固定到顶部模块212上，以使得成图案的表面 228面对电解质膜248，以大致限定顶部腔体244a。然而，腔体镶件 256以可移动的方式保持在腔体244内相对底部模块214表面(文 中称为面258)偏移的一个位置上。腔体镶件256相对于面258偏 移一段距离，使得腔体镶件256的成图案的表面236在双面注入成 型工艺的第一次注入过程中，可以支承电解质膜248。
腔体镶件256支承电解质膜248时，垫圈材料可以从注口 240a 注入到顶部腔体244a中。此操作基本上填满顶部腔体244a，并允许 垫圈材料适应于电解质膜248、气体扩散层250和成图案的表面 228。固化时，垫圈材料形成固定到电解质膜248和气体扩散层250 上的第一垫圈(未示出)。第一垫圈在顶部腔体244a内凝固后，可 以向表面258降低腔体镶件256，以将垫圈材料从注口 240b注入。 这个时候，第一垫圈可以用作电解质膜248的支承件，同时从注口 240b注入垫圈材料。
如图9b所示，当腔体镶件256相对面258设置时，成图案的 表面236和电解质膜248大致限定底部腔体244b。垫圈材料随后可 以从注口 240b注入到底部腔体244b中。此操作基本上填满底部腔 体244b，并允许垫圈材料适应于电解质膜248、气体扩散层252、和 成图案的表面236。固化时，垫圈材料形成固定到电解质膜248和气 体扩散层252上的第二垫圈(未示出)。在多面注入垫圈模铸操作过程中，腔体镶件254和256适于为 电解质膜248提供结构支承。这样可以降低每一次注入垫圈材料时损 坏电解质膜248的风险。
如上文所述，MEA可以自动或手动的方式放置在模铸系统10、 110和210的支架上。在一个实施例中，本发明的模铸系统可以用于 连续方法中，在所述方法中，MEA(例如，MEA42、 MEA 142和MEA 242)以自动的方式用传送带(未示出)传送到模铸系统。在这个实施 例中，为了在支架上定位给定的MEA，传送带可以直接从该支架(例 如，支架18、 118、和218)正上方通过。然后顶部模块和模具镶件 可以与底部模块闭合，以执行垫圈模铸操作。完成后，顶部模块和模 具镶件可以与底部模块分开。传送带随后可以移除带有垫圈的MEA， 并且在支架18上定位新的MEA。随后可以重复该过程。本发明的模 铸系统尤其适用于连续方法，因为不论给定的MEA之间的层厚度如 何变化，模具镶件(例如，模具镶件16、 116、和216)都可以对每 个MEA施加恒定的压力。这就能减少制造MEA所需的时间和精力。
尽管本发明的描述结合了优选的实施例，本领域技术人员应该认 识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节上都还 可以进行改变。
权利要求
1.一种用于将垫圈模铸到膜电极组件的系统，所述系统包括腔体，其至少部分地由可封闭的模块限定；至少一个注口，用于将垫圈材料注入到所述腔体；支架，用于使所述膜电极组件保持在邻近所述腔体位置；以及模具镶件，用于对保持在所述支架上的膜电极组件施加压力，可相对于所述可封闭的模块独立移动。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述腔体横向设置在所述 支架周围。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中所述膜电极组件具有周边 缘，并且其中所述支架被构造成使得所述膜电极组件的周边缘延伸到 所述腔体中。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中所述模具镶件对所述膜电 极组件施加的压力是可调的。
5. 根据权利要求1所述的系统，还包括用于控制所述支架镶件 移动的过程控制单元，其中所述支架镶件的移动至少部分地基于施加 到所述膜电极组件的压力。
6. 根据权利要求1所述的系统，其中所述腔体包括多个重复图 案，用于在所模制的垫圈中形成重复结构。
7. 根据权利要求1所述的系统，还包括设置在所述腔体内可移 动的腔体镶件。
8. —种用于将垫圈模铸到膜电极组件的系统，所述系统包括第一模块；第二模块，其中所述第一模块和所述第二模块被构造为可以闭合 在一起，以限定腔体；至少一个注口，用于将垫圈材料注入到所述腔体；支架，其被固定到所述第一模块，用于使所述膜电极组件保持在邻近所述腔体的位置；以及模具镶件，其被设置在所述第二模块内，用于对由所述支架保持的所述膜电极组件施加可调的压力。
9. 根据权利要求8所述的系统，其中所述模具镶件相对于所述 第一模块和所述第二模块是可独立移动的。
10. 根据权利要求9所述的系统，还包括用于控制所述支架镶件 移动的过程控制单元，其中所述支架镶件的移动至少部分地基于施加 到所述膜电极组件的压力。
11. 根据权利要求8所述的系统，其中所施加的可调的压力根据 所述垫圈材料的一个或多个流动特性而进行调整。
12. 根据权利要求8所述的系统，其中所述腔体包括多个重复图 案，用于在所模制的垫圈中形成重复结构。
13. 根据权利要求8所述的系统，还包括设置在所述腔体内的可 移动的腔体镶件。
14. 根据权利要求8所述的系统，其中至少一个注口被设置在所 述垫圈中歧管开口所对应的位置处。
15. —种用于将垫圈模铸到具有周边缘的膜电极组件的方法，所 述系统包括将所述膜电极组件设置在第一模块和第二模块之间； 使所述第一模块与所述第二模块闭合，以限定腔体，其中所述膜电极组件的周边缘被设置在所述腔体内；移动模具镶件，以将压力施加到所述膜电极组件上；以及将垫圈材料注入所述模具中，以在所述膜电极组件的周边缘形成 所述垫圈。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中，移动所述模具镶件直 到预设的压力施加到所述膜电极组件上。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中所述预设的压力至少部 分地基于所述垫圈材料的一个或多个流动特性。
18. 根据权利要求15所述的方法，还包括将所述膜电极组件 保持在支架上，其中所述腔体横向地设置在所述支架周围。
19. 根据权利要求15所述的方法，还包括在所述垫圈中形成多个重复结构。
20. 根据权利要求15所述的方法，其中所述膜电极组件的周边 缘具有多个边缘形状，并且其中所注入的垫圈材料适应于所述边缘形状。
全文摘要
本发明是用于将垫圈模铸到膜电极组件的系统。该系统包括腔体，其至少部分地由封闭的模块限定；至少一个注口，用于将垫圈材料注入到所述腔体；支架，用于使膜电极组件保持在邻近所述腔体位置；以及模具镶件，用于对保持在所述支架上的膜电极组件施加压力，可相对于所述可封闭的模块独立移动。
文档编号H01M4/88GK101310402SQ200680042378
公开日2008年11月19日 申请日期2006年11月7日 优先权日2005年11月14日
发明者丹尼斯·E·弗古森 申请人:3M创新有限公司