專利名稱：組裝燃料電池周邊襯墊的處理方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明整體涉及用于自動制造包括周邊襯墊的多層燃料電池子組 件的方法和裝置。
背景技術(shù)：
典型的燃料電池電源系統(tǒng)包括電源部分，所述電源部分中提供一 個(gè)或多個(gè)燃料電池組。燃料電池電源系統(tǒng)的功效主要取決于單個(gè)燃料 電池內(nèi)以及電池組相鄰燃料電池之間的各種接觸和密封接合的完整 性。
為了達(dá)到一些具體實(shí)施所需的功率，燃料電池組可包括大量膜電
極組件(MEA)、流場板和密封襯墊。必須仔細(xì)對齊和組裝燃料電池組的 這些以及其他組件。即使只有少數(shù)組件未對齊，也可導(dǎo)致氣體泄漏、 氫發(fā)生極間滲透(crossover)以及性能/耐久性惡化。
傳統(tǒng)的燃料電池組裝方法通常涉及切割若干輸入幅材組件，以批 量操作的方式形成此類材料的層疊件。然后使用各種機(jī)械和真空裝置 調(diào)控組件，以在燃料電池組裝過程中正確定位組件。
盡管可自動執(zhí)行這些過程中的多個(gè)，但此類方法通常涉及由復(fù)雜、 耗時(shí)并且通常昂貴的自動化設(shè)備執(zhí)行的許多抓握、配準(zhǔn)和對齊步驟。 與傳統(tǒng)燃料電池制造方法相關(guān)的處理步驟的數(shù)目和復(fù)雜性通常會降低 產(chǎn)品產(chǎn)量，給自動化燃料電池組裝線的生產(chǎn)率帶來不利影響。此外， 許多傳統(tǒng)燃料電池制造裝置和方法不能很好地適應(yīng)高的自動化程度， 尤其是當(dāng)此類裝置和方法有嚴(yán)格定位公差要求時(shí)。
12需要提供改善的燃料電池制造裝置、方法以及利用此類裝置和方 法制備的燃料電池子組件。還需要提供可在自動化組裝環(huán)境中(例如 在自動化燃料電池組裝廠中)實(shí)施的此類裝置、方法和燃料電池子組 件。本發(fā)明即滿足這些以及其他需求，并且可解決先前方法中的其他 缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例涉及燃料電池制造方法、設(shè)備和燃料電池子組件。 多個(gè)實(shí)施例舉例說明了成巻的多層燃料電池子組件的自動化制造過 程，這些子組件包括成巻的帶襯墊的電解質(zhì)膜、帶襯墊的催化劑涂覆
膜(CCM)和/或帶襯墊的膜電極組件(MEA)。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例涉及通過巻繞法制備燃料電池組件的方法。 在包括粘合劑層的第一和第二襯墊幅材上切出間隔開的孔。第一和第 二襯墊幅材被傳送到傳輸裝置上的粘合工位。包括至少一片電解質(zhì)膜 的膜幅材也被傳送到粘合工位。在粘合工位中，通過將第一和第二襯 墊幅材附接到膜幅材來形成帶襯墊的膜幅材。第一襯墊幅材通過第一 襯墊幅材的粘合劑層附接到膜幅材的第一表面。第二襯墊幅材通過第 二襯墊幅材的粘合劑層附接到膜幅材的第二表面。
傳送第一和第二襯墊幅材的第一和第二傳輸裝置中的一個(gè)或兩個(gè) 可包括(例如)真空傳輸裝置、輥或載體幅材。粘合工位可以包括一 對或多對圓柱形粘合輥。
在一些具體實(shí)施中，第一和第二襯墊幅材基本上同時(shí)附接到膜幅 材。在其他具體實(shí)施中，第一襯墊幅材先附接到膜幅材，之后第二襯 墊幅材再附接到膜?？梢栽趯⒌谝缓偷诙r墊幅材附接到膜幅材上之 前或之后，在膜幅材上設(shè)置催化劑層。
根據(jù)一種構(gòu)造，電解質(zhì)膜是催化劑涂覆的電解質(zhì)膜(CCM)，并且第一和第二襯墊幅材附接到CCM。
其他方法可能涉及將氣體擴(kuò)散層附接到帶襯墊的膜幅材的活性區(qū) 域上。在一些具體實(shí)施中，第一氣體擴(kuò)散層設(shè)置在第一襯墊層的孔內(nèi)， 第二氣體擴(kuò)散層設(shè)置在第二襯墊層的孔內(nèi)。在其他具體實(shí)施中，氣體 擴(kuò)散層可以重疊第一和/或第二襯墊層。氣體擴(kuò)散層可以包括催化劑層。
在一些構(gòu)造中，第一和/或第二襯墊幅材的粘合劑可以具有粘合劑 襯片，可在粘合工位將第一和第二襯墊幅材附接到膜幅材之前移除粘 合劑襯片。
在一些構(gòu)造中，電解質(zhì)膜和/或催化劑受到"限制"，使得電解質(zhì) 膜或催化劑不會一直延伸到第一和第二襯墊幅材的邊緣。在一個(gè)具體 實(shí)施中，電解質(zhì)膜和/或催化劑在幅材橫向方向上受到限制。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，第一和/或第二襯墊層的粘合劑可以包括 壓敏粘合劑?？梢允褂檬覝叵鹿ぷ鞯恼澈陷?，通過第一和/或第二襯墊 層的壓敏粘合劑，將第一和/或第二襯墊幅材附接到膜幅材。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，第一和/或第二襯墊層的粘合劑包括熱 活化粘合劑?？梢允褂檬軣嵴澈陷?，通過第一和/或第二襯墊層的熱活 化粘合劑，將第一和/或第二襯墊幅材附接到膜幅材。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，第一和/或第二襯墊層的粘合劑包括紫 外線固化粘合劑?？梢酝ㄟ^第一和/或第二襯墊層的紫外線固化粘合劑 將第一和/或第二襯墊幅材附接到膜幅材。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例涉及用于制備燃料電池組件的裝置。第一 切割工位在第一襯墊幅材上切出間隔開的孔。第一襯墊幅材包括具有 粘合劑的第一襯墊層。第二切割工位在第二襯墊幅材上切出間隔開的孔。第二襯墊幅材包括具有粘合劑的第二襯墊層。傳送機(jī)構(gòu)傳送并支 承第一襯墊幅材、第二襯墊幅材以及包括至少一片電解質(zhì)膜的膜幅材。 在粘合工位中，第一襯墊幅材、第二襯墊幅材和膜幅材通過傳送機(jī)構(gòu) 集合在一起。粘合工位被構(gòu)造為可通過第一和第二襯墊幅材的粘合劑 將第一襯墊幅材和第二襯墊幅材分別附接到膜幅材的第一和第二表 面。
例如，粘合工位可以包括粘合輥，該粘合輥被構(gòu)造為將第一襯墊 幅材附接到膜幅材的第一表面，并且基本上同時(shí)將第二襯墊幅材附接 到膜幅材的第二表面。又如，第一粘合輥用于將第一襯墊幅材附接到 膜幅材的第一表面，第二粘合輥用于將第二襯墊幅材附接到膜幅材的 第二表面。膜幅材可以是未涂覆的或者可以包括催化劑涂層。
裝置還可以包括這樣的機(jī)構(gòu)，其被構(gòu)造為用于附接膜幅材的暴露 活性區(qū)域上的氣體擴(kuò)散層。膜幅材的暴露活性區(qū)域由第一和第二襯墊 層構(gòu)成。氣體擴(kuò)散層可以包括催化劑層。
所述裝置還可以包括這樣的機(jī)構(gòu)，其被構(gòu)造為用于在粘合工位將 第一襯墊幅材、第二襯墊幅材和膜幅材集合到一起之前，移除第一和 第二襯墊層中每一個(gè)的粘合劑的粘合劑襯片。例如，該機(jī)構(gòu)可以包括 剝離棒或惰輪。
根據(jù)一些具體實(shí)施，在可剝離的粘合劑載體幅材上傳送第一襯墊 幅材、第二襯墊幅材和膜幅材中的至少一個(gè)。切割工位可以包括例如 圓模切機(jī)、激光切割機(jī)或模壓機(jī)。
在各種構(gòu)造中，第一襯墊幅材可以具有與第二襯墊幅材不同的厚 度，和/或可以包含與第二襯墊幅材不同的材料。
本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例涉及燃料電池子組件。子組件包括具有第
15—和第二表面的膜，膜幅材的第一表面上設(shè)置有第一催化劑層，膜的 第二表面上設(shè)置有第二催化劑層。第一襯墊包括襯墊層和粘合劑，并 通過第一襯墊的粘合劑附接到膜的第一表面。第一襯墊上的一個(gè)或多 個(gè)孔露出第一催化劑層的一個(gè)或多個(gè)活性區(qū)域。第二襯墊包括襯墊層 和粘合劑，并通過第二襯墊的粘合劑附接到膜的第二表面。第二襯墊 上的一個(gè)或多個(gè)孔露出第二催化劑層的一個(gè)或多個(gè)活性區(qū)域。
在一種構(gòu)造中，第一和/或第二襯墊可以分別重疊第一和第二催化 劑層。在一種構(gòu)造中，可以在第一催化劑層的一個(gè)或多個(gè)活性區(qū)域上 設(shè)置一個(gè)或多個(gè)第一氣體擴(kuò)散層，并且所述一個(gè)或多個(gè)第一氣體擴(kuò)散 層可以重疊第一襯墊的至少一部分。可以在第二催化劑層的一個(gè)或多 個(gè)活性區(qū)域上設(shè)置一個(gè)或多個(gè)第二氣體擴(kuò)散層，并且所述一個(gè)或多個(gè) 第二氣體擴(kuò)散層可以重疊第二襯墊的至少一部分。
在另一種構(gòu)造中，可以在第一襯墊孔內(nèi)的第一催化劑層的一個(gè)或 多個(gè)活性區(qū)域上設(shè)置一個(gè)或多個(gè)第一氣體擴(kuò)散層?？梢栽诘诙r墊孔 內(nèi)的第二催化劑層的一個(gè)或多個(gè)活性區(qū)域上設(shè)置一個(gè)或多個(gè)第二氣體 擴(kuò)散層。
襯墊層可以通過各自的粘合劑附接在一起。
膜幅材可以或可以不在幅材橫向方向上延伸至第一和第二襯墊幅 材的外邊緣。第一和/或催化劑層可以或可以不在所有方向上延伸至第 一和/或第二襯墊的邊緣。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例涉及用巻繞法制備半帶襯墊的膜幅材的方 法。在襯墊幅材上切出間隔開的孔，該襯墊幅材包括具有粘合劑的襯 墊層。將具有間隔開的孔的襯墊幅材傳送到粘合工位。將膜傳送到粘
合工位，該膜可以包括或可以不包括連續(xù)的催化劑層或成圖案的催化 劑區(qū)域。在粘合工位，襯墊幅材通過襯墊層的粘合劑粘合到膜幅材的表面。
以上發(fā)明內(nèi)容并非旨在描述本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例或本發(fā)明的每種 實(shí)施方式。結(jié)合附圖參閱下文的具體實(shí)施方式
以及所附權(quán)利要求書， 將可明了和認(rèn)識到本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和成效，并且可更完整地理解本發(fā)明。


圖1示出了典型的燃料電池及其基本操作；
圖2A和2B分別是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的帶襯墊的催化劑涂覆 膜(CCM)的剖視圖和平面圖3A和3B分別是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的帶襯墊的CCM幅材的剖視 圖和平面圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例以幅材橫向取向示出的帶襯墊的 CCM的剖視圖，該CCM具有受限制的電解質(zhì)膜；
圖5A為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的膜電極組件(MEA)的剖視圖， 該膜電極組件包括形成為成巻的帶襯墊的CCM和氣體擴(kuò)散層(GDL);
圖5B為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的MEA的剖視圖，該MEA包 括形成為成巻的帶襯墊的電解質(zhì)膜和其上設(shè)置有催化劑層的GDL;
圖6A為示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制備半帶襯墊的膜幅 材的方法；
圖6B為示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制備帶襯墊的膜幅材 和/或帶襯墊的MEA幅材的方法；
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，通過同時(shí)將第一和第二襯 墊幅材粘合到膜幅材以制備成巻的帶襯墊膜幅材的裝置；
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過按順序?qū)⒌谝灰r墊幅材和 第二襯墊幅材粘合到膜幅材以制備成巻的帶襯墊膜幅材的裝置；以及
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于制備帶襯墊的MEA幅材的裝置。
雖然本發(fā)明可具有多種修改形式和替代形式，其具體細(xì)節(jié)已在圖中以舉例的方式示出，并將詳盡描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解，其目的不在 于將本發(fā)明局限于所述具體實(shí)施例。相反，其目的在于涵蓋由所附權(quán)
利要求書限定的本發(fā)明范圍內(nèi)的所有修改形式、等同形式和替代形式。
具體實(shí)施例方式
在圖示實(shí)施例的以下描述中，參考作為文中一部分的附圖并且其 中以舉例說明的方式示出本發(fā)明可以實(shí)施的各種實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解， 在不脫離本發(fā)明范圍的前提下，可以利用這些實(shí)施例，并可以進(jìn)行結(jié) 構(gòu)上的修改。
本發(fā)明的實(shí)施例涉及燃料電池子組件以及用于構(gòu)造燃料電池子組 件的方法和裝置。在多個(gè)實(shí)施例中，帶襯墊的電解質(zhì)膜幅材形成為巻
狀。巻狀的帶襯墊膜幅材可以隨后用于制備巻狀的膜電極組件(MEA),
膜電極組件繼而可以與流場板以及其他組件結(jié)合制成完整的燃料電池。
燃料電池是使氫燃料與空氣中的氧氣結(jié)合以生成電、熱和水的電
化學(xué)裝置。燃料電池不利用燃燒，因此，燃料電池幾乎不會生成(如
果有的話)危險(xiǎn)的流出物。燃料電池將氫燃料和氧氣直接轉(zhuǎn)換為電能， 并且其工作效率比例如內(nèi)燃發(fā)電機(jī)高得多。
由本文所述各個(gè)實(shí)施例示出的帶襯墊的膜和MEA幅材在制備聚 合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池方面尤其有用。圖1中示出了典型的燃料 電池構(gòu)造。圖1中所示的燃料電池110包括與第一氣體擴(kuò)散層(GDL) 114相鄰的第一流場板112。GDL 114與催化劑涂覆膜(CCM) 120相鄰。 第二 GDL 118位于與CCM 120相鄰處，第二流場板119位于與第二 GDL118相鄰處。
在操作中，將氫燃料引入燃料電池110的陽極部分，從而越過第 一流場板112并通過GDL 114。在GDL 114與CCM 120的接合處，在
18催化劑層115的表面上，氫燃料分離為氫離子(H+)和電子(0。
CCM 120的電解質(zhì)膜116僅允許氫離子或質(zhì)子和水通過電解質(zhì)膜 116，以到達(dá)燃料電池110的陰極催化劑層113。電子不能通過電解質(zhì) 膜116，而是以電流的形式流過外部電路。此電流可為電負(fù)載117 (例 如電動馬達(dá))提供電力或者被引入能量存儲裝置(例如可充電電池)。
氧氣經(jīng)由第二流場板119在燃料電池110的陰極側(cè)流過第二 GDL 118。在陰極催化劑層113的表面上，氧氣、質(zhì)子和電子結(jié)合以生成水 和熱。
單個(gè)燃料電池，例如如圖1中所示，可與多個(gè)其他燃料電池結(jié)合 以形成燃料電池組。燃料電池組中燃料電池的數(shù)目決定燃料電池組的 總電壓，并且每個(gè)電池的表面積決定總電流。給定燃料電池組產(chǎn)生的 總電量可通過將電池組總電壓乘以總電流來確定。
燃料電池組由多個(gè)電極、板和襯墊構(gòu)成。襯墊通常圍繞電解質(zhì)膜 活性區(qū)域的周邊部署。催化劑可以設(shè)置在膜的表面上、GDL上，或者 可以部分設(shè)置在GDL上以及部分設(shè)置在膜上。襯墊可以設(shè)置在電解質(zhì) 膜的一個(gè)或兩個(gè)表面上，和/或設(shè)置在GDL的一個(gè)或兩個(gè)表面上，和/ 或設(shè)置在面向GDL的流場板的一個(gè)或兩個(gè)表面上。通過根據(jù)本文所述 的制造方法使用粘合劑將襯墊附接到電解質(zhì)膜，允許以巻繞法制備燃 料電池組件，并可準(zhǔn)確地放置和連接襯墊。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，燃料電池(例如圖1中所示的燃料電池110) 制造過程中使用的成巻幅材可以利用成巻輸入材料(如燃料電池組件 的幅材)制備為成巻輸出幅材。例如，可使用連續(xù)組裝方法制備成巻 的帶襯墊電解質(zhì)膜幅材、成巻的帶襯墊CCM幅材和/或成巻的帶襯墊 MEA幅材，該方法對成巻輸入幅材材料進(jìn)行處理以制備成巻輸出幅材?？墒褂煤线m的襯片材料纏繞輸出燃料電池幅材以形成巻狀。在另
一個(gè)方法中，可在后續(xù)步驟中將燃料電池幅材轉(zhuǎn)變?yōu)閱蝹€(gè)MEA。在一 些方法中，可將GDL粘合到帶襯墊的成巻膜幅材，從而以連續(xù)方式生 產(chǎn)MEA幅材。
圖2A和2B分別提供了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的單個(gè)帶襯墊的催化劑涂 覆膜(CCM) 200的剖視圖和平面圖，該催化劑涂覆膜可形成為成巻幅 材。帶襯墊的CCM200包括CCM210,其具有電解質(zhì)膜211以及設(shè)置 在膜211上的第一和第二催化劑層221、 222。第一和第二襯墊230、 240布置在CCM210的表面上。在圖2B中可以很好地看出，襯墊230 在CCM 210的一個(gè)表面上形成了圍繞活性區(qū)域205的框。每個(gè)襯墊 230、 240包括襯墊層231、 241和粘合劑層232、 242，例如壓敏粘合 劑層、熱活化粘合劑層或紫外線活化粘合劑層。襯墊230、 240通過粘 合劑層232、 242附接到CCM。
襯墊層231、 232可以包含各類聚合物材料，例如聚酯、聚酰亞胺、 聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和/或其他類 似材料，包括足夠薄、強(qiáng)度足夠并且與燃料電池環(huán)境(即在存在水、 氫和/或氧氣的情況下溫度為60-120°C)足夠兼容的剛性聚合物材料。 在一個(gè)例子中，襯墊材料的厚度大于約0.0125mm，并具有厚度為約 0.00625至約0.05mm的粘合劑層。在一個(gè)實(shí)施例中，襯墊材料為厚度 為約O.lmm的聚酯。襯墊材料可以包括微結(jié)構(gòu)化的彈性體肋，例如通 過加熱來固化的高度為約0.25mm的乙烯丙烯雙烯單體(EPDM)彈性體 肋。第一和第二襯墊層不需要具有相同的特性?？梢赃x擇襯墊層的特 性，以有利于組件的處理或燃料電池的操作。例如，在某些實(shí)施例中， 第一襯墊層230可以具有與第二襯墊層240不同的厚度，和/或第一襯 墊層230可以包含一種或多種與第二襯墊層240中那些材料不同的材 料。
選擇襯墊層231、 241和粘合劑層232、 242的材料，使得粘合劑層232、 242良好地粘合到襯墊層231、 241和CCM 210。粘合劑層232、 242可以包括壓敏粘合劑(PSA)、熱活化粘合劑、紫外線活化粘合劑或 其他類型的粘合劑。例如，粘合劑層可以包含以下任何物質(zhì)丙烯酸 樹脂PSA、橡膠基粘合劑、乙烯馬來酸酐共聚物、烯烴粘合劑(例如 l-辛烯與乙烯或丙烯的共聚物)、腈基粘合劑、環(huán)氧基粘合劑以及氨基 甲酸乙酯基粘合劑。在其他實(shí)施例中，粘合劑層可以包括熱活化粘合 劑，例如Thermobond 845 (聚乙烯馬來酸鹽基)和Thermobond 583 (丁 腈橡膠基)。
可以用巻繞法將圖2A和2B中所示的帶襯墊CCM 200制備為包 括多個(gè)單獨(dú)的帶襯墊CCM的幅材。圖3A和3B分別示出了帶襯墊CCM 幅材300的剖視圖和平視圖，可以將該CCM幅材切割以形成多個(gè)單獨(dú) 的帶襯墊CCM，例如圖2A和2B中所示的帶襯墊CCM。圖3A示出 了包括連續(xù)膜311的連續(xù)CCM幅材，該連續(xù)膜上設(shè)置有連續(xù)的催化劑 層321、 322。在其他實(shí)施例中，膜幅材可以沒有催化劑，或可以包括 成圖案的催化劑區(qū)域而不是連續(xù)的催化劑層。
圖3A中帶襯墊的CCM幅材300包括構(gòu)成連續(xù)CCM幅材300的 活性區(qū)域305的襯墊層331、 341。襯墊層331、 341通過粘合劑層332、 342附接到CCM幅材310。
可以用巻繞法制備圖3A和3B中所示的帶襯墊的CCM幅材。例 如，在一個(gè)實(shí)施例中，帶襯墊CCM幅材的制造過程包括將襯墊幅材(包 括襯墊和粘合劑層)送入切割工位，在此在襯墊層上切出一系列活性 區(qū)域孔，從而形成襯墊幅材。切割工位可以包括例如圓模切機(jī)、激光 切割機(jī)或固定模。將梯狀襯墊幅材傳送到粘合工位，在此與CCM幅材 以及位于CCM幅材相對側(cè)上的另一個(gè)梯狀襯墊幅材集合在一起。通過 在需要切割時(shí)啟動切割工位的切孔機(jī)以及在切割之間使它們停止或變 慢，來實(shí)現(xiàn)幅材的定時(shí)。在所有工位都會用到速度匹配。梯狀襯墊幅 材的粘合劑層可以包括隔離襯片。如果包括隔離襯片，則將其移除，例如剝離掉，然后梯狀襯墊幅材通過襯墊幅材的粘合劑層在粘合工位 粘合到CCM幅材的表面。真空皮帶傳輸裝置可以用于固定梯狀襯墊幅 材，以防止受到移除襯片時(shí)剝離力的影響?？梢允褂脛冸x棒和/或惰輪 以促進(jìn)剝離速度。
本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例致力于在不變形的情況下處理強(qiáng)度較差的襯 墊幅材。例如，襯墊幅材可以傳輸?shù)秸婵掌Щ蛲剐伪砻?例如輥) 上的粘合工位，或由另一個(gè)幅材(例如一次性帶材)來支承，或設(shè)置 在載體幅材(例如可剝離的粘合劑載體幅材)上。
燃料電池中采用的電解質(zhì)膜通常包含昂貴的離聚物。襯墊材料成
本通常低得多。如果在平面圖中觀察，典型的帶襯墊CCM的襯墊區(qū)域， 即圍繞周邊的區(qū)域，覆蓋了 CCM的可測量部分，從而防止CCM的被 覆蓋區(qū)域成為燃料電池活性區(qū)域的一部分。雖然現(xiàn)有電極設(shè)計(jì)通常使 用與整個(gè)帶襯墊區(qū)域共延的膜，但也可以通過從襯墊所覆蓋部分移除
膜來節(jié)省膜材料。在幅材橫向方向上受限的電解質(zhì)膜幅材或CCM膜幅 材不會在幅材橫向方向上延伸至襯墊層的邊緣。
圖4以幅材橫向方向示出了帶襯墊的CCM幅材400的剖視圖?？?在圖4中看出，電解質(zhì)膜幅材411在幅材橫向方向上受到限制或得以 節(jié)省，因此沒有完全延伸至襯墊層431、 441的邊緣。在該具體實(shí)施中， 粘合劑層432、 442粘附到CCM幅材411并且彼此粘附以形成密封。 CCM幅材411在順維方向上應(yīng)保持完好，以保持幅材形式。在幅材橫 向方向上限制CCM幅材411的優(yōu)點(diǎn)包括膜成本降低以及取消了歧管區(qū) 域中的膜，該膜有時(shí)會由于濕度變化而帶來問題。
圖5A示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的膜電極組件(MEA) 500，該膜電極 組件具有帶襯墊的CCM 512和附連的GDL 550。當(dāng)添加GDL 550以制 備MEA 500時(shí)，GDL 550會與提供膜邊緣保護(hù)的帶襯墊CCM 512的襯 墊層531、 541的一部分重疊。在一些實(shí)施例中，在如本文所述形成帶
22襯墊的CCM幅材之后，可以用連續(xù)和/或巻繞法將GDL 550附接到帶 襯墊的CCM。
圖5B示出了采用催化劑涂覆的GDL 551的MEA 501，催化劑涂 覆的GDL被稱為催化劑涂覆的背襯(即CCB)。在該實(shí)施例中，GDL 551包括催化劑層514、 515，并且設(shè)置在襯墊層531、 541的孔內(nèi)。粘 合劑層532、 542粘附到膜520并且彼此粘附以形成密封。如本文更為 詳細(xì)的描述，可以用巻繞法將GDL附接到膜幅材以形成輸出MEA幅 材。
在本發(fā)明的操作中，可以使用任何適用的電解質(zhì)膜?？捎玫腜EM 厚度范圍在約200pm至約15pm之間。四氟乙烯(TFE)共聚物和符合化 學(xué)式FS02-CF2-CF2-0-CF(CF3)-CF2-0-CF=CF2的共聚單體是已知的， 并且由 DuPont Chemical Company (Wilmington, Delaware)以商品名 NAFION 采用磺酸形式(即FS02-端基水解為HS03-)銷售。NAFION 常用于制備燃料電池中使用的聚合物電解質(zhì)膜。四氟乙烯(TFE)共聚物 和符合化學(xué)式FS02-CF2-CF2-0-CF=CF2的共聚單體也是已知的，并且 以磺酸形式(即FS02-端基水解為HS03-)用于制備燃料電池中使用 的聚合物電解質(zhì)膜。最優(yōu)選的是四氟乙烯(TFE)和 FS02-CF2CF2CF2CF2-0-CF=CF2 (FS02-端基水解為HS03-)的共聚 物。在共同擁有的美國專利申請S/N 11/225,690 (提交于2005年9月 13日)中描述了適用于PEM構(gòu)造的其他材料，該專利申請以引用的方 式并入本文。
在一些實(shí)施例中，催化劑層可以包含通過濕化學(xué)法(例如氯鉑酸 還原)包被到較大碳粒上的鉑或鉑合金。此形式的催化劑通過離子粘 合劑和/或溶劑分散以形成油墨、糊劑，或者形成施加到膜、隔離襯片 或GDL的分散體。
在一些實(shí)施例中，催化劑層可以包括催化劑材料的納米結(jié)構(gòu)化支承元件承載粒子或納米結(jié)構(gòu)化薄膜(NSTF)。納米結(jié)構(gòu)化催化劑層不包 含作為支承體的碳粒子，因此可以滲入電解質(zhì)膜的極薄表層中，形成 致密分布的催化劑粒子。采用納米結(jié)構(gòu)化薄膜(NSTF)催化劑層可實(shí)現(xiàn) 比分散法形成的催化劑層高得多的催化劑利用率，并且在由于缺少碳 支承體而造成的高電位和高溫下可提供更好的耐腐蝕性。在一些具體 實(shí)施中，通過使用具有微結(jié)構(gòu)化結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)膜可以進(jìn)一步增大CCM 的催化劑表面積。在以下共同擁有的專利文檔中描述了制備微結(jié)構(gòu)化 電解質(zhì)膜和NSTF催化劑層的各種方法，這些專利文檔均以引用的方式 并入本文美國專利4，812352、 5,879,827、 6,136,412以及美國專利申 請S/N 11/225，6卯(提交于2005年9月13日)和S/N 11/224,879 (提 交于2005年9月13日)。
NSTF催化劑層包含細(xì)長的納米級粒子，可以通過將催化劑材料真 空沉積到針狀納米結(jié)構(gòu)化支承體上來形成所述納米級粒子。適用于本 發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化支承體可以包含有機(jī)顏料晶須，例如C丄顏料紅149 (C丄PIGMENT RED 149)(芘紅)。晶體晶須具有基本上均勻但不相同 的橫截面以及較大的長寬比。納米結(jié)構(gòu)化支承晶須涂覆有適用于催化 作用的涂層材料，賦予晶須能夠用作多個(gè)催化劑位點(diǎn)的精細(xì)納米級表 面結(jié)構(gòu)。
在某些具體實(shí)施中，納米結(jié)構(gòu)化支承元件可以貫穿連續(xù)的螺旋位 錯(cuò)生長。延長納米結(jié)構(gòu)化支承元件可增大用于催化作用的表面積。在 此前并入本文的美國專利申請S/N 11/225,690中描述了用于延長納米 結(jié)構(gòu)化支承元件的方法。此外，或作為另外一種選擇，也可提供多層 納米結(jié)構(gòu)化支承元件以用于增大表面積。在此前并入本文的美國專利 申請S/N 11/224,879中描述了制備多層納米結(jié)構(gòu)化支承元件的方法。
用催化劑材料涂覆納米結(jié)構(gòu)支承元件，以形成納米結(jié)構(gòu)化薄膜催 化劑層。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施，催化劑材料包含金屬，例如鉑族金屬。 在一個(gè)實(shí)施例中，可以將催化劑涂覆的納米結(jié)構(gòu)化支承元件傳送到電解質(zhì)膜的表面，以形成催化劑涂覆的膜。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以在
GDL表面上形成催化劑涂覆的納米結(jié)構(gòu)化支承元件。
GDL可為能夠從電極收集電流、同時(shí)允許反應(yīng)物氣體通過的任何 材料，通常為織造或非織造的碳纖維紙或布。GDL為氣體反應(yīng)物和水 蒸汽提供了多孔通道以接觸催化劑和膜，并且還收集在催化劑層中產(chǎn) 生的電流以為外部負(fù)載供電。
GDL可以包括微孔層(MPL)和電極背襯層(EBL)，其中MPL設(shè)置 在催化劑層與EBL之間。EBL可以是任何合適的導(dǎo)電多孔基底，例如 碳纖維構(gòu)造(如織造和非織造碳纖維構(gòu)造)?？缮藤彨@得的碳纖維構(gòu) 造的例子包括以商品名"AvCarb P50"得自Ballard Material Products (Lowell, MA)的碳纖維紙；以商品名"Toray"得自ElectroChem， Inc. (Woburn， MA)的碳紙；以商品名"SpectraCarb "得自Spectracorp (Lawrence, MA)的碳紙；以商品名"AFN"得自Hollingsworth & Vose Company (East Walpole, MA)的非織造碳布；以及以商品名"Zoltek"得 自Zoltek Companies, Inc. (St. Louis, MO)的碳布。還可以對EBL進(jìn)行處 理以增加或賦予疏水特性。例如，可以使用高度氟化的聚合物來處理 EBL ，例如聚四氟乙烯(PTFE)和氟化乙烯丙烯(FEP)。
所述EBL的碳纖維構(gòu)造通常具有粗糙多孔的表面，其顯示與催化 劑層之間具有較低的粘合附著力。為增大粘合附著力，可以將微孔層 包被到EBL的表面。如此使EBL的粗糙多孔表面變得平滑，從而增大 與一些類型的催化劑層之間的粘合附著力。
本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于制備成巻半帶襯墊或全帶襯墊的電解質(zhì) 膜幅材、CCM幅材和/或MEA幅材的方法。圖6A為示意圖，示出了 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可以用于制備半帶襯墊的膜幅材的方法。該方法 涉及在襯墊幅材上切出間隔開的孔(615)，然后將所得的襯墊幅材傳送 到粘合工位(625)。襯墊幅材包括襯墊層和粘合劑層，粘合劑層可以可
25選地包括隔離襯片?？蓮耐死@輪或另一個(gè)源傳送襯墊幅材。切出孔之 后，所得襯墊幅材類似于梯狀結(jié)構(gòu)，可以通過制造過程的各部分在真 空傳輸裝置或其他支承機(jī)構(gòu)上支承和傳送該結(jié)構(gòu)。
將膜幅材傳送到粘合工位，該膜幅材可以是具有連續(xù)或成圖案催
化劑層的CCM幅材(635)。在粘合工位，襯墊幅材和膜幅材集合在一起。 如果膜幅材包括成圖案的催化劑區(qū)域，則可實(shí)現(xiàn)襯墊幅材與膜幅材之
間的配準(zhǔn)。在粘合工位，通過例如一次或多次暴露在熱、壓力和紫外 線中，將襯墊幅材和膜幅材粘合到一起(645)。
圖6B為流程示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例可以用于制備帶襯 墊的膜和/或MEA幅材的方法。該方法涉及在制造過程中移動各種材 料幅材。該方法涉及在第一襯墊幅材上切出間隔開的孔(610)，然后將 所得的第一襯墊幅材傳送到粘合工位(620)。在第二襯墊幅材上切出孔 (630)，然后將所得的第二襯墊幅材傳送到粘合工位(640)。第一和第二 襯墊幅材中的每一個(gè)均包括襯墊層和粘合劑層，粘合劑層可以可選地 包括隔離襯片?？蓮耐死@輪或另一個(gè)源傳送第一和第二襯墊幅材。切 出孔之后，所得襯墊幅材類似于梯狀結(jié)構(gòu)，可以通過制造過程的各部 分在真空傳送裝置或其他支承機(jī)構(gòu)上支承和傳送該結(jié)構(gòu)。
在粘合工位，第一襯墊幅材、第二襯墊幅材以及膜幅材集合在一 起。對齊第一和第二襯墊幅材以及膜幅材?？梢钥刂频谝灰r墊幅材與 第二襯墊幅材之間的配準(zhǔn)，使得第一和第二襯墊幅材的孔在膜幅材的 第一和第二表面上彼此對齊。
如果使用了隔離襯片，則在襯墊幅材進(jìn)入粘合工位之前將其移除。 第一襯墊幅材和第二襯墊幅材分別通過襯墊幅材的粘合劑層附接到膜 幅材的第一和第二表面(650)。在一個(gè)實(shí)施例中，通過使全部三個(gè)幅材 經(jīng)過同一對粘合輥，使第一和第二梯狀襯墊幅材的附接基本上同時(shí)進(jìn) 行。在另一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二襯墊幅材按順序附接到膜幅材。在一些實(shí)施例中，膜幅材包括CCM幅材，該CCM幅材的催化劑設(shè)置 在膜幅材表面上或在膜幅材的區(qū)域中成圖案。如果使用成圖案的CCM 幅材，成圖案的區(qū)域會與第一和第二襯墊幅材的孔對齊。所得帶襯墊 的膜幅材或CCM幅材可以巻起并存儲起來供將來使用，或者可以在后 續(xù)制造過程中立即使用以制備MEA幅材和/或其他燃料電池子組件。
如在圖6的流程圖中進(jìn)一步示出，可以使用帶襯墊的膜幅材形成 MEA幅材，方法是在由襯墊層上的孔露出的膜幅材區(qū)域中附接GDL 或CCB(660)。在一個(gè)具體實(shí)施中，GDL或CCB可以設(shè)置在膜幅材兩 個(gè)表面上的襯墊層的孔內(nèi)。在另一個(gè)具體實(shí)施中，GDL或CCB可以在 襯墊層的內(nèi)邊緣重疊襯墊層。
圖7示出了用于處理燃料電池材料輸入幅材以及制備成巻帶襯墊 CCM的裝置。 一般來講，圖7的裝置可使用成巻襯墊幅材以及成巻電 解質(zhì)膜幅材或CCM幅材來制備成巻的帶襯墊膜幅材。圖7的裝置提供 了獨(dú)特的方法來制備帶襯墊的膜幅材，該膜幅材可以分離為多個(gè)單獨(dú) 的帶襯墊膜或帶襯墊CCM，或者可以用于后續(xù)的巻繞過程以制備燃料 電池組件。
在圖7示出的實(shí)施例中，帶襯墊的膜幅材的制造過程包括從第一 退繞輪705送入未切割的第一襯墊幅材715 (包括襯墊層、粘合劑層和 粘合劑隔離襯片)，并且使其通過第一切割工位725。切割工位725在 襯墊幅材715上切出一系列活性區(qū)域孔701,形成梯狀的第一襯墊幅材 735。移除第一襯墊幅材735的隔離襯片757。使用剝離棒745或惰輪 有利于移除隔離襯片757，并且隔離襯片757巻繞在第一廢料輪755上。
從第二退繞輪706傳送未切割的第二襯墊幅材716，并將其送入第 二切割工位726。第二切割工位726在第二襯墊幅材716上切出一系列 活性區(qū)域孔702，形成梯狀的第二襯墊幅材736。移除第二襯墊幅材736 的隔離襯片758。使用剝離棒746或惰輪有利于移除隔離襯片758，并且隔離襯片758巻繞在第二廢料輪756上。切割工位725、 726可以包 括例如圓模切機(jī)或激光切割機(jī)。
在圖7所示的實(shí)施例中，切割工位725、 726包括真空模切機(jī)727、 728。在真空模切機(jī)727、 728中形成真空，以從襯墊幅材735、 736移 除切孔廢屑783、 793。當(dāng)孔廢屑783、 793的前緣相對切割表面旋轉(zhuǎn)約 225°時(shí)移除真空。移除真空會將孔廢屑783、 793釋放到托盤782、 792 或釋放到真空廢料處理充氣室。彈簧蓄能器780、 7卯可以用于抓住廢 屑783、 793，從而在釋放真空時(shí)，廢屑783、 793通過與模具727、 728 摩擦而被推壓進(jìn)托盤782、 792或充氣室。
移除隔離襯片757、 758之后，第一和第二襯墊幅材735、 736被 傳送到粘合工位，在本例中，粘合工位包括圓柱形粘合輥760。在某些 實(shí)施例中，如圖7所示，襯墊幅材735、736被傳送到真空傳輸裝置765、 766的粘合輥760上。從膜退繞輪707上傳送膜幅材717，然后將其傳 送到粘合輥760。
本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將會知道，可采用若干技術(shù)和構(gòu)造以便于使 用光學(xué)傳感器或其他類型感測裝置進(jìn)行對齊。傳感器781、 791用于檢 測孔切口的前緣。由傳感器781、 791 (如反光激光傳感器)感測的偏 差和對位標(biāo)記用于對齊左側(cè)襯墊階梯735和右側(cè)襯墊階梯736。如果膜 幅材717包括成圖案的催化劑區(qū)域718，可以使用傳感器797 (例如光 束光纖傳感器)來檢測催化劑區(qū)域的前緣?？刂葡到y(tǒng)使用傳感器797 的輸出并結(jié)合來自傳感器781或791的信息，以使催化劑區(qū)域718與 襯墊幅材735和736對齊。傳感器778可以感測到基準(zhǔn)標(biāo)記799，以便 于對齊735、 736、 717這三個(gè)幅材。
控制系統(tǒng)可以使用來自傳感器(例如傳感器781、 791、 797)的信 息，來控制速度以及第一襯墊幅材735、第二襯墊幅材736和膜幅材 717中的一個(gè)或多個(gè)的縱向位置。對幅材735、 736、 717的定時(shí)有利于
28對齊，可以通過在需要進(jìn)行切割時(shí)啟動切割工位725、726的切孔機(jī)727、 728以及在切割之間使它們停止或減慢來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在切孔期間，使 切割工位725、 726與粘合輥760的速度相匹配可保持襯墊幅材735、 736上的孔尺寸一致。
對齊之后，襯墊幅材735、 736在粘合輥760處與膜幅材717集合 在一起。襯墊幅材735、 736通過粘合輥760通過襯墊幅材735、 736 的粘合劑層基本上同時(shí)粘合到膜幅材717的相應(yīng)第一和第二表面，以 形成帶襯墊的膜幅材770。
在一些實(shí)施例中，襯墊幅材735、 736的粘合劑層包含壓敏粘合劑。 在這些實(shí)施例中，可以通過由在室溫下工作的粘合輥760施加壓力來 實(shí)現(xiàn)襯墊幅材735、 736的附接。在其他實(shí)施例中，襯墊幅材735、 736 的粘合劑層包含熱活化粘合劑，且粘合輥760被加熱，以有利于將襯 墊幅材735、 736附接到膜幅材717。在其他實(shí)施例中，粘合劑包括紫 外線活化粘合劑。如果使用紫外線活化粘合劑，可通過暴露在紫外線 中來有利于粘合，紫外線來自可以位于粘合輥760旁邊的光源?？梢?使用或不使用粘合劑隔離襯片。
在一些具體實(shí)施中，帶襯墊的膜幅材770巻繞在巻繞輪上，以進(jìn) 行存儲和/或稍后在后續(xù)處理中使用。在其他具體實(shí)施中，帶襯墊的膜 幅材770被傳送到另一處理階段，例如用于形成結(jié)合有帶襯墊的膜幅 材770的MEA幅材的處理階段。
圖8示出了一種制造裝置，其中第一襯墊幅材835和可選的第二 襯墊幅材836粘合到膜幅材。在一個(gè)過程中，可以通過將第一襯墊幅 材845粘合到膜817來形成半帶襯墊的膜。在此過程中，第二襯墊幅 材836未粘合到膜817。半帶襯墊的膜可以用于需要更薄幅材的應(yīng)用中。
可任選地，第二襯墊幅材836可以附接到膜817，以形成如下所述的全帶襯墊的膜幅材。如果形成了全帶襯墊的膜幅材，第一和第二襯
墊幅材835、 836可以在隨后粘合到膜幅材817。例如，如圖8所示， 附接了第一襯墊幅材835之后，第二襯墊幅材836才附接到膜幅材817。
帶襯墊的膜幅材871的制造過程包括從第一退繞輪805送入未切 割的第一襯墊幅材815并使其通過第一切割工位825，所述未切割的第 一襯墊幅材815包括襯墊層、粘合劑層以及粘合劑隔離襯片。如上文 結(jié)合圖7所述，切割工位825可以包括真空模切機(jī)827，其可使用彈簧 蓄能器880撿取孔廢屑883并將廢屑放在托盤882中。切割工位825 在襯墊幅材815上切出一系列活性區(qū)域孔801，從而形成梯狀的第一襯 墊幅材835。移除第一襯墊幅材835的隔離襯片857。使用剝離棒845 或惰輪有利于移除隔離襯片857，并且隔離襯片857巻繞在第一廢料輪 855上。
移除第一襯墊幅材835的隔離襯片857后會露出第一襯墊幅材835 的粘合劑層。在真空傳輸裝置或其他傳送機(jī)構(gòu)865上將第一襯墊幅材 835傳送到粘合工位，在本例中，粘合工位包括圓柱形粘合輥860。從 膜退繞輪807上傳送膜幅材817，然后將其傳送到粘合輥860。
如上文結(jié)合圖7所述，控制系統(tǒng)可以使用采集自一個(gè)或多個(gè)傳感 器的信息來對齊第一襯墊幅材835，以便于在與催化劑區(qū)域818適當(dāng)對 齊的膜幅材817上進(jìn)行布置。對齊之后，第一襯墊幅材835在粘合輥 860處與膜幅材817集合在一起。襯墊幅材835通過粘合輥860通過第 一襯墊幅材835的暴露粘合劑層粘合到膜幅材817的第一表面，以形 成局部帶襯墊的膜幅材870。
從第二退繞輪806傳送未切割的第二襯墊幅材816，并將其送入第 二切割工位826。第二切割工位826使用真空模切機(jī)828在第二襯墊幅 材816上切出一系列活性區(qū)域孔802，形成梯狀的第二襯墊幅材836。 真空模切機(jī)828通過使用彈簧蓄能器890撿取孔廢屑893，并將廢屑放在托盤892中。
移除第二襯墊幅材836的隔離襯片858。通過剝離棒846或惰輪有 利于移除隔離襯片858，并且隔離襯片858巻繞在第二廢料輪856上。 切割工位825、 826可以包括例如圓模切機(jī)或激光器切割機(jī)。
移除第二襯墊幅材836的隔離襯片858后會露出第二襯墊幅材836 的粘合劑層。在真空傳輸裝置或其他傳送機(jī)構(gòu)866上將第二襯墊幅材 836傳送到粘合工位，在本例中，粘合工位包括圓柱形粘合輥861。將 局部帶襯墊的膜幅材870傳送到粘合輥861。
在粘合之前，可以使用來自一個(gè)或多個(gè)傳感器的信息來對齊第二 襯墊幅材836，以便于放置在膜幅材870上。第二襯墊幅材836可以相 對于設(shè)置在局部帶襯墊的膜幅材870上的第一襯墊幅材835對齊。例 如，可以使用傳感器898感測到的基準(zhǔn)標(biāo)記899，以便于對齊835、 836、 817這三個(gè)幅材。
在一些具體實(shí)施中，全帶襯墊的膜幅材871巻繞在巻繞輪上，以 進(jìn)行存儲和/或稍后在后續(xù)處理中使用。在其他具體實(shí)施中，帶襯墊的 膜幅材871被傳送到另一處理階段，例如用于形成結(jié)合有帶襯墊的膜 幅材871的MEA幅材的處理階段，如圖9所示。
圖9示出了被構(gòu)造用于制備具有帶襯墊的膜幅材的成巻MEA幅材 的裝置。從退繞輪903或直接從前一工序傳送帶襯墊的膜幅材，例如 帶襯墊的CCM幅材950。從退繞輪卯l或從前一工序傳送設(shè)置在載體 幅材920上的第一GDL 921。將第一 GDL 921和CCM幅材950傳送 到粘合輥922，其中第一 GDL 921相對于CCM幅材950的襯墊層中的 孔951對齊。將第一 GDL 921粘合到帶襯墊的膜幅材950的第一表面。 例如，可使第一 GDL 921對齊以便放置在帶襯墊的CCM幅材950的 孔951內(nèi)，或者可使第一 GDL 921對齊以使得第一 GDL 921與襯墊略微重疊。
從退繞輪902或從前一工序傳送設(shè)置在載體幅材930上的第二GDL 931。從退繞輪902或從前一工序傳送設(shè)置在載體幅材930上的第二 GDL 931。將第二 GDL 931和CCM幅材952傳送到粘合輥932，其中第二GDL 931相對于CCM幅材952襯墊層中的孔951對齊。將第二 GDL 931粘合到帶襯墊膜幅材952的第二表面，以形成成巻的MEA幅材953。如果GDL與襯墊重疊，可以使用熱和壓力或者使用沉積在GDL或CCM或襯墊的至少一部分上的粘合劑層，將GDL附接到幅材，其中粘合劑層可以包含得自3M Company快粘系列(Fastbond series)中的粘合劑或離聚物。在一些具體實(shí)施中，第一和第二GDL可以在一個(gè)或多個(gè)邊緣處貼合在帶襯墊CCM幅材950的孔951內(nèi)，并且可以在一個(gè)或多個(gè)邊緣處與襯墊重疊。
上述對本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例的具體描述的目的是為了舉例說明和描述。并非意圖窮舉本發(fā)明或?qū)⒈景l(fā)明局限于所公開的精確形式?？梢园凑丈鲜鼋虒?dǎo)內(nèi)容進(jìn)行多種修改和變化。例如，結(jié)合附圖所述的多種旋轉(zhuǎn)粘合方法可使用非旋轉(zhuǎn)方法和裝置來替代實(shí)現(xiàn)，例如通過使用本領(lǐng)域熟知的步進(jìn)和重復(fù)壓縮方法和裝置。本發(fā)明的范圍不受所述具體實(shí)施方式
的限定，而僅受所附權(quán)利要求書的限定。
3權(quán)利要求
1.一種以卷繞法制備燃料電池組件的方法，包括在第一襯墊幅材上切出間隔開的孔，所述第一襯墊幅材包括具有粘合劑的第一襯墊層；將具有間隔開的孔的所述第一襯墊幅材傳送到粘合工位；在第二襯墊幅材上切出間隔開的孔，所述第二襯墊幅材包括具有粘合劑的第二襯墊層；將具有間隔開的孔的所述第二襯墊幅材傳送到所述粘合工位；將包括至少一片電解質(zhì)膜的膜幅材傳送到所述粘合工位；以及在所述粘合工位形成帶襯墊的膜幅材，包括通過所述第一襯墊層的粘合劑將所述第一襯墊幅材附接到所述膜幅材的第一表面；以及通過所述第二襯墊層的粘合劑將所述第二襯墊幅材附接到所述膜幅材的第二表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述第一襯墊幅材附接到所述膜幅材的第一表面與將所述第二襯墊幅材附接到所述膜幅材的第二表面基本上同時(shí)進(jìn)行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中先將所述第一襯墊幅材附接到所述膜幅材，然后將所述第二襯墊幅材附接到所述膜幅材。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在將所述第一和第二襯墊幅材附接到所述膜幅材之前或之后在所述膜幅材上設(shè)置催化劑層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述電解質(zhì)膜包括催化劑涂覆的電解質(zhì)膜；并且將所述第一和第二襯墊幅材附接到所述膜幅材包括形成帶襯墊的催化劑涂覆的膜幅材。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括將第一氣體擴(kuò)散層附接到所述帶襯墊膜幅材的活性區(qū)域上；以及 將第二氣體擴(kuò)散層附接到所述帶襯墊膜幅材的活性區(qū)域上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中將所述第一和第二氣體擴(kuò)散 層基本上同時(shí)進(jìn)行附接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中將所述第一和第二氣體擴(kuò)散 層按順序進(jìn)行附接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一氣體擴(kuò)散層設(shè)置在所述第一襯墊層的孔內(nèi)；并且 所述第二氣體擴(kuò)散層設(shè)置在所述第二襯墊層的孔內(nèi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一氣體擴(kuò)散層在所述第一襯墊層的孔處與所述第一襯墊 層的內(nèi)邊緣重疊；并且所述第二氣體擴(kuò)散層在所述第二襯墊層的孔處與所述第二襯墊 層的內(nèi)邊緣重疊。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一和第二氣體擴(kuò)散 層包括催化劑層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述粘合工位將所述 第一和第二襯墊幅材附接到所述膜幅材之前，從所述第一和第二襯墊 層的粘合劑移除粘合劑襯片。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述第一和第二襯墊幅 材附接到所述膜幅材包括將所述第一和第二襯墊幅材附接到所述膜幅材，使得所述電解質(zhì)膜不會在幅材橫向方向上延伸至所述第一和第 二襯墊幅材的邊緣。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中 所述第一襯墊層的粘合劑包括壓敏粘合劑；將所述第一襯墊幅材附接到所述膜幅材的第一表面包括使用粘 合輥、通過所述第一襯墊層的壓敏粘合劑，將所述第一襯墊幅材附接 到所述膜幅材的第一表面；所述第二襯墊層的粘合劑包括壓敏粘合劑；以及 將所述第二襯墊幅材附接到所述膜幅材的第二表面包括使用所述粘合輥、通過所述第二襯墊層的壓敏粘合劑，將所述第二襯墊幅材附接到所述膜幅材的第二表面。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中-所述第一襯墊層的粘合劑包括熱活化粘合劑；將所述第一襯墊幅材附接到所述膜幅材的第一表面包括使用受 熱粘合輥、通過所述第一襯墊層的熱活化粘合劑，將所述第一襯墊幅 材附接到所述膜幅材的第一表面；所述第二襯墊層的粘合劑包括熱活化粘合劑；以及 將所述第二襯墊幅材附接到所述膜幅材的第二表面包括使用所述受熱粘合輥、通過所述第二襯墊層的熱活化粘合劑，將所述第二襯墊幅材附接到所述膜幅材的第二表面。
16. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述第一襯墊層的粘合劑包括紫外線固化粘合劑；將所述第一襯墊幅材附接到所述膜幅材的第一表面包括使用粘合輥和紫外線源、通過所述第一襯墊層的紫外線固化粘合劑，將所述 第一襯墊幅材附接到所述膜幅材的第一表面；所述第二襯墊層的粘合劑包括紫外線固化粘合劑；以及將所述第二襯墊幅材附接到所述膜幅材的第二表面包括使用所述粘合輥和所述紫外線源、通過所述第二襯墊層的紫外線固化粘合劑， 將所述第二襯墊幅材附接到所述膜幅材的第二表面。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中第一和第二傳輸裝置中的 至少一個(gè)包括真空皮帶、輥或載體幅材。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一襯墊幅材、所述 第二襯墊幅材和所述膜幅材中的至少一個(gè)被傳送到真空傳輸裝置。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述第一襯墊幅材和所 述第二襯墊幅材中的一個(gè)或兩個(gè)上切出間隔開的孔包括使用真空轉(zhuǎn)動 模具切出所述間隔開的孔，所述真空轉(zhuǎn)動模具有利于移除孔廢屑。
20. —種制備燃料電池組件的裝置，包括第一切割工位，所述第一切割工位被構(gòu)造為在第一襯墊幅材上切 出間隔開的孔，所述第一襯墊幅材包括具有粘合劑的第一襯墊層；第二切割工位，所述第二切割工位被構(gòu)造為在第二襯墊幅材上切 出間隔開的孔，所述第二襯墊幅材包括具有粘合劑的第二襯墊層；傳送機(jī)構(gòu)，所述傳送機(jī)構(gòu)被構(gòu)造為傳送和支承所述第一襯墊幅 材、所述第二襯墊幅材和包括至少一片電解質(zhì)膜的膜幅材；以及粘合工位，在所述粘合工位中所述第一襯墊幅材、所述第二襯墊 幅材和所述膜幅材被所述傳送機(jī)構(gòu)集合在一起，所述粘合工位被構(gòu)造 為通過所述第一和第二襯墊幅材的粘合劑，分別將所述第一襯墊幅材 和所述第二襯墊幅材附接到所述膜幅材的第一和第二表面。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述粘合工位包括粘合輥， 所述粘合輥被構(gòu)造為基本上同時(shí)將所述第一襯墊幅材附接到所述膜幅 材的第一表面以及將所述第二襯墊幅材附接到所述膜幅材的第二表 面。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述粘合工位包括: 第一粘合輥，所述第一粘合輥被構(gòu)造為將所述第一襯墊幅材附接到所述所述膜幅材的第一表面；以及第二粘合輥，所述第二粘合輥被構(gòu)造為將所述第二襯墊幅材附接到所述膜幅材的第二表面。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述膜幅材包括催化劑涂 覆的膜幅材。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，還包括被構(gòu)造為將氣體擴(kuò)散層 附接到所述膜幅材的暴露活性區(qū)域上的機(jī)構(gòu)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，其中所述氣體擴(kuò)散層包括催化 劑層。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，其中催化劑部分地設(shè)置在所述 膜幅材上、部分地設(shè)置在所述氣體擴(kuò)散層上。
27. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，還包括這樣的機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu) 被構(gòu)造為在所述粘合工位處將所述第一襯墊幅材、所述第二襯墊幅材 和所述膜幅材集合在一起之前移除所述第一和第二襯墊層中的每一個(gè) 的所述粘合劑的粘合劑襯片。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述機(jī)構(gòu)包括剝離棒或惰輪。
29.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中 所述第一和第二襯墊幅材的粘合劑包括壓敏粘合劑；以及 所述粘合工位被構(gòu)造為有利于通過施加壓力將所述第一和第二 襯墊幅材附接到所述膜幅材。
30. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中 所述第一和第二襯墊幅材的粘合劑包括熱活化粘合劑；以及 所述粘合工位被構(gòu)造為有利于通過施加熱量將所述第一和第二襯墊幅材附接到所述膜幅材。
31. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述第一和第二襯墊幅材的粘合劑包括紫外線固化粘合劑；并且 所述粘合工位被構(gòu)造為有利于通過紫外線固化處理將所述第一 和第二襯墊幅材附接到所述膜幅材。
32. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中第一和第二傳輸機(jī)構(gòu)中的 至少一個(gè)包括真空皮帶、輥或載體幅材。
33. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述粘合工位包括一個(gè)或 多個(gè)圓柱形輥。
34. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述第一襯墊幅材、所述 第二襯墊幅材和所述膜幅材中的至少一個(gè)在可剝離的粘合劑載體幅材 上傳送。
35. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述切割工位中的至少一 個(gè)包括圓模切機(jī)、激光器切割機(jī)或模壓機(jī)。
36. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述第一襯墊幅材包括與 所述第二襯墊幅材不同的材料。
37. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述第一襯墊幅材的厚度 與所述第二襯墊幅材的厚度不同。
38. —種燃料電池的成巻子組件，包括 膜幅材，所述膜幅材包括第一和第二表面；第一催化劑層，所述第一催化劑層設(shè)置在所述膜幅材的第一表面上；第二催化劑層，所述第二催化劑層設(shè)置在所述膜幅材的第二表面上；第一襯墊幅材，所述第一襯墊幅材包括襯墊層和粘合劑，所述第 一襯墊幅材通過所述第一襯墊幅材的粘合劑附接到所述膜的第一表 面，所述第一襯墊幅材上的一個(gè)或多個(gè)孔露出所述第一催化劑層的一 個(gè)或多個(gè)活性區(qū)域；以及第二襯墊幅材，所述第二襯墊幅材包括襯墊層和粘合劑，所述第 二襯墊幅材通過所述第二襯墊幅材的粘合劑附接到所述膜的第二表 面，所述第二襯墊幅材上的一個(gè)或多個(gè)孔露出所述第二催化劑層的一 個(gè)或多個(gè)活性區(qū)域。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的子組件，其中所述第一襯墊幅材與所 述第一催化劑層的至少一部分重疊。
40. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的子組件，還包括一個(gè)或多個(gè)第一氣體擴(kuò)散層，所述一個(gè)或多個(gè)第一氣體擴(kuò)散層設(shè)置在所述第一催化劑層的所述一個(gè)或多個(gè)活性區(qū)域上，并且與所述第 一襯墊幅材的至少一部分重疊；以及一個(gè)或多個(gè)第二氣體擴(kuò)散層，所述一個(gè)或多個(gè)第二氣體擴(kuò)散層設(shè) 置在所述第二催化劑層的所述一個(gè)或多個(gè)活性區(qū)域上，并且與所述第 二襯墊幅材的至少一部分重疊。
41. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的子組件，還包括一個(gè)或多個(gè)第一氣體擴(kuò)散層，所述一個(gè)或多個(gè)第一氣體擴(kuò)散層設(shè)置在所述第一催化劑層的所述一個(gè)或多個(gè)活性區(qū)域上，并且位于所述 第一襯墊幅材的孔內(nèi)；以及一個(gè)或多個(gè)第二氣體擴(kuò)散層，所述一個(gè)或多個(gè)第二氣體擴(kuò)散層設(shè) 置在所述第二催化劑層的所述一個(gè)或多個(gè)活性區(qū)域上，并且位于所述 第二襯墊幅材的孔內(nèi)。
42. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的子組件，其中所述第一和第二襯墊幅 材的所述襯墊層通過各自的粘合劑附接到一起。
43. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的子組件，其中所述膜幅材不延伸至所 述第一和第二襯墊幅材的一個(gè)或多個(gè)外邊緣。
44. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的子組件，其中所述第一催化劑層不延 伸至所述第一襯墊幅材的一個(gè)或多個(gè)外邊緣。
45. —種以巻繞法制備半帶襯墊的膜幅材的方法，包括 在襯墊幅材上切出間隔開的孔，所述襯墊幅材包括具有粘合劑的襯墊層；將具有間隔開的孔的所述襯墊幅材傳送到粘合工位； 將包括至少一片電解質(zhì)膜的膜幅材傳送到所述粘合工位；以及 在所述粘合工位，通過所述襯墊層的粘合劑將所述襯墊幅材附接 到所述膜幅材的表面。
46. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，還包括在將所述襯墊幅材附接 到所述膜幅材之前或之后在所述膜幅材上設(shè)置催化劑層。
47. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中 所述襯墊層的粘合劑包括壓敏粘合劑；并且將所述襯墊幅材附接到所述膜幅材的表面包括使用粘合輥通過 所述襯墊層的壓敏粘合劑將所述襯墊幅材附接到所述膜幅材的表面。
48. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中所述襯墊層的粘合劑包括熱活化粘合劑；將所述襯墊幅材附接到所述膜幅材的表面包括使用受熱粘合輥 通過所述襯墊層的熱活化粘合劑將所述襯墊幅材附接到所述膜幅材的 表面。
49. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中 所述襯墊層的粘合劑包括紫外線固化粘合劑；并且 將所述襯墊幅材附接到所述膜幅材的第一表面包括使用粘合輥和紫外線源通過所述襯墊層的紫外線固化粘合劑將所述襯墊幅材附接 到所述膜幅材的表面。
50. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括將孔廢屑傳送到孔廢屑 收集托盤的步驟。
51. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括將孔廢屑傳送到真空廢 料處理充氣室的步驟。
52. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述第一切割工位和所述 第二切割工位中的一個(gè)或兩個(gè)包括真空轉(zhuǎn)動模具。
53. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的裝置，其中所述第一切割工位和所述 第二切割工位中的一個(gè)或兩個(gè)包括孔廢屑收集托盤，所述托盤被構(gòu)造 為接納所述真空轉(zhuǎn)動模具傳送的孔廢屑。
54. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的裝置，其中所述第一切割工位和所述 第二切割工位中的一個(gè)或兩個(gè)包括真空廢料處理充氣室，所述充氣室 被構(gòu)造為接納所述真空轉(zhuǎn)動模具傳送的孔廢屑。
55. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，還包括將第一氣體擴(kuò)散層附接到所述帶襯墊的膜幅材的活性區(qū)域上；以及將第二氣體擴(kuò)散層附接到所述帶襯墊的膜幅材的活性區(qū)域上。
56. —種以巻繞法制備半帶襯墊的膜幅材的裝置，包括 切割工位，所述切割工位被構(gòu)造為在襯墊幅材上切出間隔開的孔，所述襯墊幅材包括具有粘合劑的襯墊層；傳送機(jī)構(gòu)，所述傳送機(jī)構(gòu)被構(gòu)造為傳送和支承所述襯墊幅材以及 具有至少一片電解質(zhì)膜的膜幅材；以及粘合工位，在所述粘合工位處所述襯墊幅材和所述膜幅材通過所 述傳送機(jī)構(gòu)被集合在一起，所述粘合工位被構(gòu)造為通過所述襯墊層的 粘合劑將所述襯墊幅材附接到所述膜幅材的表面。
57. —種燃料電池的成巻子組件，包括 膜幅材，所述膜幅材包括第一表面；襯墊幅材，所述襯墊幅材包括襯墊層和粘合劑，所述襯墊幅材通 過所述襯墊幅材的粘合劑附接到所述膜的第一表面，所述第一襯墊幅 材上的一個(gè)或多個(gè)孔露出所述膜幅材的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種以卷繞法制備燃料電池組件的方法和裝置。在各自包括粘合劑的第一和第二襯墊幅材上切出間隔開的孔。將所述第一和第二襯墊幅材傳送到輸送裝置的粘合工位。將包括至少一片電解質(zhì)膜的膜幅材也傳送到所述粘合工位。在所述粘合工位，通過將所述第一和第二襯墊幅材附接到所述膜幅材來形成帶襯墊的膜幅材。所述第一襯墊幅材通過所述第一襯墊幅材的粘合劑層附接到所述膜幅材的第一表面。所述第二襯墊幅材通過所述第二襯墊幅材的粘合劑層附接到所述膜幅材的第二表面。
文檔編號H01M8/10GK101558522SQ200780046285
公開日2009年10月14日 申請日期2007年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
發(fā)明者丹尼爾·M·皮爾龐特, 埃里克·J·漢森, 埃里克·J·艾佛森, 戴維·J·米勒, 斯科特·A·瑞普利, 邁克爾·T·?？怂?申請人:3M創(chuàng)新有限公司