專利名稱：用于膜電極組件的墊圈模鑄系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電化學(xué)裝置(諸如燃料電池)中的膜電極組件。 具體地講，本發(fā)明涉及將墊圈模鑄到膜電極組件的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池是電化學(xué)裝置，此類裝置通過燃料(諸如氫)和氧化劑 (諸如氧氣)的催化組合，產(chǎn)生可用的電。與傳統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備(諸如 內(nèi)燃發(fā)電機(jī))不同，燃料電池不利用燃燒。因而，燃料電池產(chǎn)生的危 害性流出物很少。燃料電池將氫燃料和氧氣直接轉(zhuǎn)化為電，并且相對(duì) 于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)來講，操作可以更高效。因?yàn)閱为?dú)的燃料電池產(chǎn)生的能
量不多(例如，在約0.7-0.9伏特之間)，可以將多個(gè)燃料電池排列在 一起，形成一個(gè)堆疊件，以產(chǎn)生足夠的電能來操作機(jī)動(dòng)車輛，以及遠(yuǎn) 程提供電能。
燃料電池(諸如質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池)通常包含由設(shè)置在 一對(duì)氣體擴(kuò)散層之間的催化劑涂覆膜所形成的膜電極組件(MEA)。催 化劑涂覆膜本身通常包括設(shè)置在一對(duì)催化劑層之間的電解質(zhì)膜。該電 解質(zhì)膜的兩面分別稱為陽極部分和陰極部分。在典型的PEM燃料電 池中，氫燃料被引導(dǎo)到陽極部分，在那里氫發(fā)生反應(yīng)并且分解成質(zhì)子 和電子。電解質(zhì)膜將質(zhì)子傳送到陰極部分，同時(shí)允許電子流流過外部 電路到達(dá)陰極部分，以提供電能。氧氣被引導(dǎo)到陰極部分，與質(zhì)子和 電子發(fā)生反應(yīng)生成水和熱。
MEA通常由墊圈密封，以防止受壓氣體和液體逸出。為了確保受 壓氣體和液體不繞過電解質(zhì)膜，墊圈一般被模制在圍繞MEA周邊的 區(qū)域。然而，墊圈模鑄系統(tǒng)存在的一個(gè)共同問題是系統(tǒng)MEA的壓縮可能過度或不足。過度壓縮可能使MEA的陽極部分和陰極部分透過
各自的電解質(zhì)膜接觸，導(dǎo)致短路。另一方面，壓縮不足可能導(dǎo)致墊圈
材料模鑄到MEA周圍不期望的位置上。因此，需要一種墊圈模鑄系 統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠減少模鑄過程中過度壓縮和壓縮不足的風(fēng)險(xiǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于模鑄墊圈到MEA的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括模具腔 體，其至少部分地由可封閉的模塊限定；和至少一個(gè)注口，用于將墊 圈材料注入到模具腔體中。該系統(tǒng)還包括支架，該支架使MEA保 持在靠近模具腔體的位置；和模具鑲件，用于對(duì)保持在支架上的MEA 施加壓力，可相對(duì)于可封閉的模塊獨(dú)立移動(dòng)。在墊圈制模操作過程中， 該系統(tǒng)能夠?yàn)镸EA提供適當(dāng)水平的壓力，因此減小出現(xiàn)過度壓縮和 壓縮不足的風(fēng)險(xiǎn)。
圖1是本發(fā)明模鑄系統(tǒng)的等比例側(cè)視圖。 圖2是模鑄系統(tǒng)的截面視圖。圖3是取自圖2中的部分3的展開圖，示出模鑄在模鑄系統(tǒng)腔 體內(nèi)MEA上的墊圈。
圖4是適于所述模鑄系統(tǒng)使用的可供選擇的MEA的剖面透視 圖，以及模鑄到所述可供選擇的MEA上的墊圈。
圖5a-5c是適于模鑄系統(tǒng)使用的可供選擇的電解質(zhì)膜的俯視圖。
圖6是本發(fā)明的可供選擇的模鑄系統(tǒng)一部分的展開截面圖。
圖7是取自圖6中的部分7的展開圖，示出模鑄在可供選擇的 模鑄系統(tǒng)的腔體內(nèi)MEA上的墊圈。
圖8是適用于可供選擇的模鑄系統(tǒng)的、可供選擇的MEA的剖 面透視圖，以及模鑄到所述可供選擇的MEA上的墊圈。
圖9a和％是本發(fā)明的雙面注入模鑄系統(tǒng)的一部分的展開截面圖。盡管上述各圖提出了本發(fā)明的數(shù)種實(shí)施例，但正如本文中所提到 的，還可以考慮到其它的實(shí)施例。在所有情況下，本公開均以示例性 而非限制性的方式描述本發(fā)明。應(yīng)該理解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以設(shè) 計(jì)出大量其它修改形式和實(shí)施例，這些修改形式和實(shí)施例均在本發(fā)明 原理的范圍和精神之內(nèi)。各圖可能未按比例繪制。各圖使用類似的參 考標(biāo)記來指示類似部件。
具體實(shí)施例方式
圖1是本發(fā)明模鑄系統(tǒng)IO(適于將墊圈模鑄到MEA上的系統(tǒng))
的等比例側(cè)視圖。如圖所示，模鑄系統(tǒng)10包括頂部模塊12、底部
模塊14、模具鑲件16、支架18、和過程控制單元20。頂部模塊12 和底部模塊14是可封閉的注塑模模塊，其中頂部模塊12通過使用 標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(諸如，使用液壓系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、或氣動(dòng)系統(tǒng))能 夠沿著A軸方向運(yùn)動(dòng)，從而與底部模塊14分開和閉合。在一種備用 的結(jié)構(gòu)中，底部模塊14可以為能夠沿著A軸移動(dòng)的模鑄模塊，并且 頂部模塊12是固定的。本文使用的方向取向(諸如"頂部"和"底 部")是為了便于論述，而沒有限制作用。
頂部模塊12包括圍墻22，所述圍墻橫向地在凹陷部分24四 周延伸，并且限定所述凹陷部分。頂部模塊12也包括開口 26 (以 虛線顯示)，通過所述開口以可移動(dòng)的方式保持模具鑲件16。凹陷部 分24是在模具鑲件16四周橫向延伸的圍墻22內(nèi)的凹槽。凹陷部 分24包括成圖案的表面28，該表面包括多個(gè)重復(fù)圖案，以形成有 "凸起脊微結(jié)構(gòu)化接觸圖案"和"重復(fù)結(jié)構(gòu)"的墊圈，如Wald等人 的美國專利申請(qǐng)公開No.2003/0211378和待決的、名稱為"Gasketed Subassembly For Use In Fuel Cells"(用于燃料電池的墊圈子組件)(代 理人案巻號(hào)61026US002)的美國專利申請(qǐng)中(兩者均是共同轉(zhuǎn)讓的) 所公開。
模具鑲件16包括接觸表面30,它是平表面，用于在墊圈模鑄操作過程中，對(duì)保持在模鑄系統(tǒng)10內(nèi)的MEA (未示出)施加壓力。 模具鑲件16的接觸表面30可以包括適形表面(例如，橡膠表面)， 以提高在MEA上所施加壓力的均勻性。作為另外一種選擇，模具鑲 件16的接觸表面30可以包括在接觸表面30橫向邊緣周圍延伸的 周邊凸緣(未示出)。在這個(gè)實(shí)施例中，接觸表面30的中部從周邊 凸緣凹入(例如，約200微米或更小)，并且在墊圈模鑄操作過程中， 周邊凸緣接觸保持在模鑄系統(tǒng)10內(nèi)的橫向邊緣并在其周圍施加壓 力。
如下文所論述，模具鑲件16可以獨(dú)立于頂部模塊12，在開口 26 內(nèi)沿著A軸移動(dòng)。這就允許模具鑲件16獨(dú)立地調(diào)整施加到MEA上 的壓力，以此減小過度壓縮MEA和對(duì)MEA壓縮不足的風(fēng)險(xiǎn)。模具 鑲件16可采用標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)力系統(tǒng)(諸如，液壓、機(jī)械、或氣動(dòng)系統(tǒng)) 驅(qū)動(dòng)。通過信號(hào)線20a，此類動(dòng)力系統(tǒng)可以與過程控制單元20通信。 過程控制單元20是一種自動(dòng)化系統(tǒng)，監(jiān)控模具鑲件16施加到給定 MEA的壓力。所施加的壓力可以由通過信號(hào)線20b與過程控制單元 20通信的力傳感器監(jiān)控，諸如，壓力片或測力傳感器(例如，應(yīng)變儀 測力傳感器)。過程控制單元20可以為任意適于根據(jù)感應(yīng)到的施加 壓力控制模具鑲件16移動(dòng)的系統(tǒng)。在可供選擇的實(shí)施例中，模具鑲 件16的移動(dòng)可以不使用過程控制單元20，而實(shí)行手動(dòng)控制。
底部模塊14包括圍墻32,所述圍墻橫向地在凹陷部分34四周 延伸，并對(duì)其進(jìn)行限定。凹陷部分34是圍墻32內(nèi)在支架18四周 橫向延伸的凹槽，與凹陷部分24相似。凹陷部分34包括成圖案的 表面36，所述表面包括與成圖案的表面28相似的重復(fù)圖案。在可供 選擇的實(shí)施例中，成圖案的表面28和26可以整合不同的圖案，或 者作為另外一種選擇，成圖案的表面28和26中的一個(gè)或全部可以 沒有重復(fù)圖案。
支架18是固定到底部模塊14上的鑲件，并且與模具鑲件16對(duì)齊。在一個(gè)可供選擇的實(shí)施例中，支架18可以與底部模塊14整 體地形成。支架18包括用于在墊圈模鑄操作過程中保持MEA的表 面38。模具鑲件16的表面38也可以包括適形表面(例如，橡膠表 面)，以提高在MEA上所施加壓力的均勻性。
如圖1中進(jìn)一步所示，頂部模塊12也包括注口 40，所述注口 是成圖案的表面28上的開口，用于注入墊圈材料。雖然圖中只示出 一對(duì)注口 40，但是模鑄系統(tǒng)10可以包括多個(gè)注口，分布在不同的位 置處，諸如在成圖案的表面28和36中、在圍墻22和32 (分別退 入凹陷部分24和34中)中、以及它們的組合。在一個(gè)實(shí)施例中， 注口 40可以定位在所得的墊圈中創(chuàng)建歧管開口的位置處(用于幫助 傳送氣體和/或液體通過墊圈)。
如下文所述，模鑄系統(tǒng)10適于將墊圈模鑄到MEA上，其中模 具鑲件16可以沿著A軸調(diào)整，以減小過度壓縮MEA和MEA壓 縮不足的風(fēng)險(xiǎn)。如此可保持MEA的結(jié)構(gòu)完整性，并改善MEA和墊 圈之間的連接。
圖2是模鑄系統(tǒng)10的截面視圖，示出頂部模塊12與底部模塊 14閉合，MEA42設(shè)置在模具鑲件16和支架18之間。為了便于討 論，MEA層42的厚度在圖2中被夸大。在墊圈模鑄操作過程中， MEA42可以自動(dòng)或者手動(dòng)的方式放置在支架18上。當(dāng)MEA42保 持在支架18上時(shí)，頂部模塊12可以與底部模塊14閉合，以限定 腔體44。腔體44在MEA 42周圍橫向延伸，并且具有對(duì)應(yīng)于凹陷 部分24和34 (如圖1所示)的體積。另外，當(dāng)頂部模塊12與底 部部分14閉合時(shí)，模具鑲件16的接觸表面30緊壓MEA 42，這 就將MEA42壓向支架18的表面38。
頂部模塊12與底部模塊14以大小預(yù)先設(shè)定的力閉合，以有效 地密封周邊22和周邊32。這就能防止在墊圈模鑄操作過程中，墊圈材料從模鑄系統(tǒng)10中流出。因此，如果模具鑲件16固定到頂部模
塊12上(即不能單獨(dú)移動(dòng))，那么對(duì)于每次注入，模具鑲件16的 接觸表面30與支架18的表面38之間的相對(duì)距離將是常數(shù)。這就 會(huì)使對(duì)保持在支架18上的MEA (例如，MEA 42)所施加的壓力根 據(jù)給定的MEA層的厚度而變化。例如，如果給定MEA的層厚度較 高(例如，l，OOO微米)，該MEA可能被過度壓縮，潛在地導(dǎo)致短 路。另一方面，如果給定MEA的層厚度較低(例如，200微米)， 該MEA可能壓縮不足，這就可能導(dǎo)致注入的墊圈材料不理想地在 MEA和表面30及表面38之間流動(dòng)。
然而，模具鑲件16相對(duì)于頂部模塊12 (和底部模塊14)是可 獨(dú)立移動(dòng)的。因此，通過沿著A軸調(diào)整模具鑲件16的位置，可以使 由模具鑲件16施加到MEA42的壓力保持恒定。這就能減小在墊圈 模鑄操作過程中過度壓縮MEA 42和MEA 42壓縮不足的風(fēng)險(xiǎn)。因 此，頂部模塊12與底部模塊14閉合時(shí)，模具鑲件16可沿著頂部 模塊12的方向，向支架18和MEA42移動(dòng)。在這段時(shí)間內(nèi)，過程 控制單元20實(shí)時(shí)監(jiān)控模具鑲件16施加的壓力。
當(dāng)模具鑲件16接觸MEA42時(shí)，施加到MEA42的受監(jiān)控的 壓力相應(yīng)地增加。模具鑲件16繼續(xù)將MEA 42壓向支架18，直到 達(dá)到預(yù)設(shè)的、所需的壓力。過程控制單元20隨后將MEA42保持在 那個(gè)位置(相對(duì)于底部模塊14和支架18，不考慮頂部模塊12的移 動(dòng))。例如，如果MEA42的層厚度較高，模具鑲件16可以達(dá)到所 需的壓力，并在頂部模塊12到達(dá)底部模塊14前保持它的位置。這 樣能減小頂部模塊12繼續(xù)向底部模塊14移動(dòng)時(shí)過度壓縮MEA 42 的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，如果MEA42的層厚度較低，在頂部模塊12與 底部模塊14密封后，模具鑲件16可以繼續(xù)壓縮MEA 42，直到達(dá) 到所需的壓力。這就能相應(yīng)地減小MEA42壓縮不足的風(fēng)險(xiǎn)。
當(dāng)頂部模塊12和底部模塊14密封在一起'并且模具鑲件16以所需的壓力壓縮MEA42時(shí)，墊圈材料可以通過注口 40注入到腔 體44?？捎糜谛纬蓧|圈46的墊圈材料的實(shí)例包括彈性體材料，諸 如橡膠、硅氧垸彈性體、熱塑性彈性體、熱固性彈性體、彈性體粘接 劑、含苯乙烯的兩嵌段和三嵌段共聚物、以及它們的組合。
注入的墊圈材料基本上填滿腔體44，并且適應(yīng)于MEA42的外邊 緣以及成圖案的表面28和36的外邊緣。固化時(shí)，所述墊圈材料形 成固定到MEA42外邊緣的墊圈(未示出)。另外，該墊圈具有成圖 案的表面28和36形成的重復(fù)圖案(如上文所論述)，這就提高了 墊圈的密封效率。
圖3是取自圖2中的部分3的展開圖，示出在腔體44內(nèi)形成 的墊圈46。如圖3進(jìn)一步所示，MEA 42包括設(shè)置在擴(kuò)散層50和 52之間的電解質(zhì)膜48，其中氣體擴(kuò)散層50和52延伸到電解質(zhì)膜 48的外邊緣以外，以限定間隙53。當(dāng)墊圈材料注入到腔體44中時(shí)， 墊圈材料滲透進(jìn)入間隙53，以增強(qiáng)MEA 42和所得墊圈46之間的 連接。
各種可注入墊圈材料的共同問題是給定墊圈材料的粘度和其它 流動(dòng)特性在不同生產(chǎn)批次之間可能有顯著的差異。因此，注入的墊圈 材料的力在各次注入之間可能不同，這就可能影響墊圈材料滲透進(jìn)入 間隙53的程度。針對(duì)這種情況，模具鑲件16的位置是可以調(diào)整的， 以便相應(yīng)地調(diào)整施加到MEA42的壓力。這樣可使墊圈材料以所需的 量滲透進(jìn)入間隙53。例如，如果墊圈材料有高粘度，可以減小模具鑲 件16施加到MEA42的壓力，以減小滲透進(jìn)入間隙53所需的力。 另一方面，如果墊圈材料有低粘度，所施加的壓力可以增加，以防止 受壓的墊圈材料在電解質(zhì)膜48和氣體擴(kuò)散層50/52之間流動(dòng)。
墊圈46模制到MEA 42上之后，頂部模塊12和模具鑲件16 可以與底部模塊14分開，并且可以移除所得的墊圈MEA 42。墊圈
1146在MEA 42的外邊緣周圍延伸，以防止在電化學(xué)裝置(例如，燃 料電池)使用的過程中，受壓氣體和液體繞過電解質(zhì)膜48?？刂茐|圈 模鑄操作過程中施加到MEA42的壓力，可允許墊圈46牢固地連接 到MEA 42的外邊緣，同時(shí)還可減小過度壓縮MEA 42和MEA 42 壓縮不足的風(fēng)險(xiǎn)。
圖4是MEA42a和墊圈46的剖面透視圖，其中MEA 42a是 MEA42的替代設(shè)計(jì)，并且包括電解質(zhì)膜48a和氣體擴(kuò)散層50a和 52a。如圖所示，在間隙53內(nèi)，電解質(zhì)膜48a具有在整個(gè)電解質(zhì)膜48a 外邊緣周圍延伸的鋸齒邊緣輪廓。鋸齒邊緣輪廓可增加MEA42a和墊 圈46之間的表面積，進(jìn)而增強(qiáng)MEA 42a和墊圈46之間的連接。 注入到腔體44中時(shí)，墊圈材料滲透進(jìn)入間隙53,并且適應(yīng)于電解質(zhì) 膜48a的鋸齒邊緣輪廓。如上文所論述，可以通過調(diào)整模具鑲件16 施加到MEA42的壓力，來解決所注入的墊圈材料的粘度變化。這可 改善墊圈材料滲透進(jìn)入間隙53并適應(yīng)于電解質(zhì)膜48a的鋸齒邊緣 輪廓的程度。
圖5a-5c分別是電解質(zhì)膜48a、 48b和48c的俯視圖，示出適 用的MEA 42邊緣輪廓的實(shí)例。除圖4和5a中示出的鋸齒邊緣輪 廓外，適于電解質(zhì)膜的邊緣輪廓可以包括T型缺口 (電解質(zhì)膜48b) 和狹槽型缺口 (電解質(zhì)膜48c)?；旧?，可以使用任何能增加間隙53 內(nèi)MEA42和墊圈46之間接觸面積的邊緣輪廓設(shè)計(jì)。
圖6是模鑄系統(tǒng)110 —部分的展開截面圖，模鑄系統(tǒng)110與上 面所討論的模鑄系統(tǒng)10 (相應(yīng)的參考標(biāo)記都增加"100")類似。模 鑄系統(tǒng)110適于將墊圈模鑄到MEA 142上，MEA 142與MEA 42 相似，不同的是電解質(zhì)膜148延伸到腔體144中。電解質(zhì)膜148可 以包括設(shè)置在電解質(zhì)膜148的兩側(cè)上的子墊圈層(未示出)，以進(jìn)一 步密封MEA 142以及為設(shè)置在腔體144內(nèi)部的電解質(zhì)膜148的一 部分提供機(jī)械支承。如進(jìn)一步所示，模鑄系統(tǒng)110包括注口 140a和140b，其.中注 口 140a與以上在圖2中所論述的注口 40相同。注口 140b也類似 于注口 40,不同的是注口 140b延伸通過底部模塊114。注口 140a 和140b的使用允許墊圈從電解質(zhì)膜148的兩側(cè)注入腔體144中， 由此在電解質(zhì)膜148的兩側(cè)形成墊圈(未示出)。
圖7是取自圖6中的部分7的展開圖，示出在腔體144內(nèi)鄰 近于電解質(zhì)膜148的相背表面處形成的墊圈146a和146b。固化時(shí)， 墊圈146a和146b被固定到電解質(zhì)膜148上，并以和墊圈46相同 的方式實(shí)現(xiàn)阻止受壓氣體和液體在使用過程中繞過電解質(zhì)膜148的 功能。
圖8是MEA 142a的剖面透視圖，MEA 142a是MEA 142的 替代設(shè)計(jì)，并且包括電解質(zhì)膜148a和氣體擴(kuò)散層150a和152a。 如圖所示，氣體擴(kuò)散層150a和152a各自具有在MEA 142a的整個(gè) 外邊緣周圍延伸的鋸齒邊緣輪廓，這可改善MEA 142a和墊圈146之 間的連接。注入腔體144中時(shí)，墊圈材料適應(yīng)于氣體擴(kuò)散層150a和 152a的鋸齒邊緣輪廓。也可以采用上文所述的方式，調(diào)整模具鑲件 116施加到MEA 142a的壓力，來解決所注入的墊圈材料的粘度變化。 這可改善墊圈材料適應(yīng)于氣體擴(kuò)散層150a和152a的鋸齒邊緣輪廓 的程度。在可供選擇的實(shí)施例中，氣體擴(kuò)散層150a和152a可以整 合替代邊緣輪廓設(shè)計(jì)，諸如以上在圖5a-5c中所論述的電解質(zhì)膜的邊 緣外形設(shè)計(jì)48a-48c。
圖9a和9b是模鑄系統(tǒng)210的一部分的展開截面圖，模鑄系統(tǒng) 210是上文所述的模鑄系統(tǒng)10和110的替代系統(tǒng)(與模鑄系統(tǒng)10 相比，對(duì)應(yīng)的參考標(biāo)記都增加"200")。如下文所述，模鑄系統(tǒng)210 是雙面注入鑄模系統(tǒng)，該系統(tǒng)將墊圈材料注入到MEA 242的電解質(zhì) 膜248的兩側(cè)。如圖9a所示，頂部模塊212和底部模塊214不包括與模鑄系 統(tǒng)10的成圖案的表面28和36類似的成圖案的表面。相反，模鑄 系統(tǒng)210包括定位在電解質(zhì)膜248相背的面上的腔體鑲件254和 256。腔體鑲件254和256包括成圖案的表面228和236，其功能 及實(shí)現(xiàn)方式與上文圖1中所述的成圖案的表面28和36相同。
腔體鑲件254固定到頂部模塊212上，以使得成圖案的表面 228面對(duì)電解質(zhì)膜248，以大致限定頂部腔體244a。然而，腔體鑲件 256以可移動(dòng)的方式保持在腔體244內(nèi)相對(duì)底部模塊214表面(文 中稱為面258)偏移的一個(gè)位置上。腔體鑲件256相對(duì)于面258偏 移一段距離，使得腔體鑲件256的成圖案的表面236在雙面注入成 型工藝的第一次注入過程中，可以支承電解質(zhì)膜248。
腔體鑲件256支承電解質(zhì)膜248時(shí)，墊圈材料可以從注口 240a 注入到頂部腔體244a中。此操作基本上填滿頂部腔體244a，并允許 墊圈材料適應(yīng)于電解質(zhì)膜248、氣體擴(kuò)散層250和成圖案的表面 228。固化時(shí)，墊圈材料形成固定到電解質(zhì)膜248和氣體擴(kuò)散層250 上的第一墊圈(未示出)。第一墊圈在頂部腔體244a內(nèi)凝固后，可 以向表面258降低腔體鑲件256，以將墊圈材料從注口 240b注入。 這個(gè)時(shí)候，第一墊圈可以用作電解質(zhì)膜248的支承件，同時(shí)從注口 240b注入墊圈材料。
如圖9b所示，當(dāng)腔體鑲件256相對(duì)面258設(shè)置時(shí)，成圖案的 表面236和電解質(zhì)膜248大致限定底部腔體244b。墊圈材料隨后可 以從注口 240b注入到底部腔體244b中。此操作基本上填滿底部腔 體244b，并允許墊圈材料適應(yīng)于電解質(zhì)膜248、氣體擴(kuò)散層252、和 成圖案的表面236。固化時(shí)，墊圈材料形成固定到電解質(zhì)膜248和氣 體擴(kuò)散層252上的第二墊圈(未示出)。在多面注入墊圈模鑄操作過程中，腔體鑲件254和256適于為 電解質(zhì)膜248提供結(jié)構(gòu)支承。這樣可以降低每一次注入墊圈材料時(shí)損 壞電解質(zhì)膜248的風(fēng)險(xiǎn)。
如上文所述，MEA可以自動(dòng)或手動(dòng)的方式放置在模鑄系統(tǒng)10、 110和210的支架上。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的模鑄系統(tǒng)可以用于 連續(xù)方法中，在所述方法中，MEA(例如，MEA42、 MEA 142和MEA 242)以自動(dòng)的方式用傳送帶(未示出)傳送到模鑄系統(tǒng)。在這個(gè)實(shí)施 例中，為了在支架上定位給定的MEA，傳送帶可以直接從該支架(例 如，支架18、 118、和218)正上方通過。然后頂部模塊和模具鑲件 可以與底部模塊閉合，以執(zhí)行墊圈模鑄操作。完成后，頂部模塊和模 具鑲件可以與底部模塊分開。傳送帶隨后可以移除帶有墊圈的MEA， 并且在支架18上定位新的MEA。隨后可以重復(fù)該過程。本發(fā)明的模 鑄系統(tǒng)尤其適用于連續(xù)方法，因?yàn)椴徽摻o定的MEA之間的層厚度如 何變化，模具鑲件(例如，模具鑲件16、 116、和216)都可以對(duì)每 個(gè)MEA施加恒定的壓力。這就能減少制造MEA所需的時(shí)間和精力。
盡管本發(fā)明的描述結(jié)合了優(yōu)選的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn) 識(shí)到，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，在形式和細(xì)節(jié)上都還 可以進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
1.一種用于將墊圈模鑄到膜電極組件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括腔體，其至少部分地由可封閉的模塊限定；至少一個(gè)注口，用于將墊圈材料注入到所述腔體；支架，用于使所述膜電極組件保持在鄰近所述腔體位置；以及模具鑲件，用于對(duì)保持在所述支架上的膜電極組件施加壓力，可相對(duì)于所述可封閉的模塊獨(dú)立移動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述腔體橫向設(shè)置在所述 支架周圍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述膜電極組件具有周邊 緣，并且其中所述支架被構(gòu)造成使得所述膜電極組件的周邊緣延伸到 所述腔體中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述模具鑲件對(duì)所述膜電 極組件施加的壓力是可調(diào)的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于控制所述支架鑲件 移動(dòng)的過程控制單元，其中所述支架鑲件的移動(dòng)至少部分地基于施加 到所述膜電極組件的壓力。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述腔體包括多個(gè)重復(fù)圖 案，用于在所模制的墊圈中形成重復(fù)結(jié)構(gòu)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括設(shè)置在所述腔體內(nèi)可移 動(dòng)的腔體鑲件。
8. —種用于將墊圈模鑄到膜電極組件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括第一模塊；第二模塊，其中所述第一模塊和所述第二模塊被構(gòu)造為可以閉合 在一起，以限定腔體；至少一個(gè)注口，用于將墊圈材料注入到所述腔體；支架，其被固定到所述第一模塊，用于使所述膜電極組件保持在鄰近所述腔體的位置；以及模具鑲件，其被設(shè)置在所述第二模塊內(nèi)，用于對(duì)由所述支架保持的所述膜電極組件施加可調(diào)的壓力。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述模具鑲件相對(duì)于所述 第一模塊和所述第二模塊是可獨(dú)立移動(dòng)的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，還包括用于控制所述支架鑲件 移動(dòng)的過程控制單元，其中所述支架鑲件的移動(dòng)至少部分地基于施加 到所述膜電極組件的壓力。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所施加的可調(diào)的壓力根據(jù) 所述墊圈材料的一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)特性而進(jìn)行調(diào)整。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述腔體包括多個(gè)重復(fù)圖 案，用于在所模制的墊圈中形成重復(fù)結(jié)構(gòu)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括設(shè)置在所述腔體內(nèi)的可 移動(dòng)的腔體鑲件。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中至少一個(gè)注口被設(shè)置在所 述墊圈中歧管開口所對(duì)應(yīng)的位置處。
15. —種用于將墊圈模鑄到具有周邊緣的膜電極組件的方法，所 述系統(tǒng)包括將所述膜電極組件設(shè)置在第一模塊和第二模塊之間； 使所述第一模塊與所述第二模塊閉合，以限定腔體，其中所述膜電極組件的周邊緣被設(shè)置在所述腔體內(nèi)；移動(dòng)模具鑲件，以將壓力施加到所述膜電極組件上；以及將墊圈材料注入所述模具中，以在所述膜電極組件的周邊緣形成 所述墊圈。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，移動(dòng)所述模具鑲件直 到預(yù)設(shè)的壓力施加到所述膜電極組件上。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述預(yù)設(shè)的壓力至少部 分地基于所述墊圈材料的一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)特性。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括將所述膜電極組件 保持在支架上，其中所述腔體橫向地設(shè)置在所述支架周圍。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括在所述墊圈中形成多個(gè)重復(fù)結(jié)構(gòu)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述膜電極組件的周邊 緣具有多個(gè)邊緣形狀，并且其中所注入的墊圈材料適應(yīng)于所述邊緣形狀。
全文摘要
本發(fā)明是用于將墊圈模鑄到膜電極組件的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括腔體，其至少部分地由封閉的模塊限定；至少一個(gè)注口，用于將墊圈材料注入到所述腔體；支架，用于使膜電極組件保持在鄰近所述腔體位置；以及模具鑲件，用于對(duì)保持在所述支架上的膜電極組件施加壓力，可相對(duì)于所述可封閉的模塊獨(dú)立移動(dòng)。
文檔編號(hào)H01M4/88GK101310402SQ200680042378
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2006年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月14日
發(fā)明者丹尼斯·E·弗古森 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司