專利名稱：一種制備燃料電池膜電極密封邊框的對位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚合物離子交換膜燃料電池膜電極制備技術(shù)，具體為膜電極制備過程中密封邊框活性區(qū)域的對位方法。
背景技術(shù)：
聚合物離子交換膜燃料電池(PEMFC)具有高功率密度，高能量轉(zhuǎn)換效率，低溫啟動，環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，最有希望成為零污染排放電動汽車的動力源，使其在全球能源危機(jī)和環(huán)境日益惡化的今天，成為國際高新技術(shù)競爭的熱點(diǎn)之一。膜電極(MEA)是聚合物離子交換膜燃料電池最為關(guān)鍵的組件，而其中的聚合物離子交換膜起到傳導(dǎo)質(zhì)子、阻隔電子在電池內(nèi)部直接構(gòu)成回路以及阻斷氫氣和氧氣/空氣直接接觸(即密封)的作用。但由于聚合物離子交換膜厚度非常薄，在電池組裝過程中易造成機(jī)械損傷。在使用過程中，聚合物離子交換膜又容易受濕度影響而發(fā)生尺寸的改變，會進(jìn)一步加劇機(jī)械損傷，從而在使用一段時間后出現(xiàn)破損，無法真正達(dá)到密封的效果。于是針對這種情況出現(xiàn)了很多的密封方法，由于采用的密封方法多種多樣，使得膜電極的制備過程也各不相同。[CN200480030791. 7]介紹了一種帶密封材料的核心組件及膜電極。它采用熱塑性聚合物、彈性密封體以及熱固性聚合物為密封材料。聚合物離子交換膜的邊緣有密封材料保護(hù)，氣體擴(kuò)散層均采用密封材料使陰極和陽極反應(yīng)物隔絕。[US6159628]介紹的燃料電池包括多孔基底，他們周邊充滿熱塑性材料。[CN200380105886. 6]和[US6057054]介紹了一種膜電極，聚合物離子交換膜與氣體擴(kuò)散層是通過熱塑性塑料粘結(jié)的。[US6165634]公開了一種燃料電池組的密封方法，所述燃料電池組件的周邊區(qū)域通過密封材料浸漬或粘附在一起，所述密封材料覆蓋了所述電池組件的外邊緣。[US6159628]和[US2001/0001052]公開了一種具有邊緣密封基材的MEA，所述邊緣密封基材是通過將熱塑性聚合物擠入所述基材的周邊形成的。所述邊緣密封基材是通過將熱塑性聚合物材料粘附到聚合物離子交換膜上。上述各方法有的是預(yù)先設(shè)置了密封材料的內(nèi)外區(qū)域界線，有的是確定了活性區(qū)域然后設(shè)置密封材料，因此對密封材料的對位精度沒有嚴(yán)格要求。但以上各制備膜電極邊框的方法工藝復(fù)雜，工序繁多，不利于燃料電池膜電極的高效率批量化制備。[CN200810197098. 9]介紹了一種制備帶密封邊框膜電極的方法，該方法的特點(diǎn)是在延伸出氣體擴(kuò)散層的聚合物離子交換膜的兩面分別覆合一層密封邊框，這種結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了膜電極的可加工性和工藝穩(wěn)定性。[CN201010125455. 8]提出了一種邊框疊層結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)獨(dú)特的加工制備方法， 使得覆合密封邊框的過程中聚合物離子交換膜機(jī)械強(qiáng)度更好，尺寸穩(wěn)定性和加工可行性更好。上述兩個專利有效的改進(jìn)了膜電極密封的結(jié)構(gòu)和制備工藝，降低了加工難度，適合于大批量連續(xù)化制備燃料電池膜電極，但其提及的密封結(jié)構(gòu)對于密封邊框?qū)ξ痪染哂休^高的要求。而密封邊框活性區(qū)域?qū)ξ黄钸^大會帶來一系列不良后果，主要有以下幾個方面(1)影響膜電極的加工。氣體擴(kuò)散層需要在密封邊框的位置基礎(chǔ)上覆合，密封邊框?qū)ξ痪炔桓撸箽怏w擴(kuò)散層的覆合位置受到影響，如果位置對應(yīng)精度太低，會造成加工時聚合物離子交換膜的損傷甚至破損；(2)降低燃料電池堆的功率密度和可靠性。為了提高對較差精度膜電極的適應(yīng)性， 并使得各部件對準(zhǔn)，電堆的各部件尺寸需要相應(yīng)的做得更大一些，降低了電堆的功率密度； 同時裝配尺寸的偏差會帶來諸如流道堵塞、聚合物離子交換膜破損、進(jìn)出口串氣、氣體泄露等很多問題，容易導(dǎo)致氫氣和氧氣混合，在催化劑存在的條件下甚至有爆炸的危險(xiǎn)，大大降低了燃料電池堆的可靠性；(3)降低燃料電池的耐久性。精度太差造成膜電極各部件不正確的位置關(guān)系，使得膜電極經(jīng)過較短時間的運(yùn)行就出現(xiàn)聚合物離子交換膜的破損，從而導(dǎo)致燃料電池的失效， 減小了燃料電池的壽命；(4)造成資源的浪費(fèi)。膜電極密封邊框?qū)ξ痪炔桓撸绊懥四る姌O各部件的匹配關(guān)系，使得部分催化劑未處在正確的位置，從而無法發(fā)揮其應(yīng)有的功能，造成昂貴的貴金屬催化劑的浪費(fèi)，同時也造成了價格同樣昂貴的聚合物離子交換膜的浪費(fèi)；( 造成燃料電池輸出功率的減少。膜電極陰陽極密封邊框的錯位，會導(dǎo)致錯位區(qū)域的催化劑無法發(fā)揮其應(yīng)有的電催化功能而減少輸出功率，根據(jù)計(jì)算，膜電極密封邊框的對位精度每降低1%，輸出功率就會相應(yīng)地減少4%。專利[CN200810197098. 9]及[CN201010125455. 8]提出了膜電極密封邊框?qū)ξ桓埠系目尚行怨に?，但均未闡述如何有效提高和保證膜電極密封邊框覆合的對位精度。而密封邊框活性區(qū)域的檢測對準(zhǔn)在燃料電池密封邊框?qū)嶋H的制備過程中具有許多難以克服的困難。本發(fā)明公開的一種制備膜電極密封邊框的對位方法，在于避免密封邊框制備過程中陰極密封邊框與陽極密封邊框活性區(qū)域過大的對位偏差，需要研究一種新的方法提高和保證密封邊框活性區(qū)域的對準(zhǔn)精度，具有較強(qiáng)的針對性、簡潔性和可操作性。該方法能使得制備燃料電池膜電極密封邊框時，陰陽極密封邊框的活性區(qū)域能精確地對準(zhǔn)并覆合到聚合物離子交換膜的兩側(cè)，為膜電極邊框的連續(xù)化生產(chǎn)提供良好的對位精度保證。進(jìn)而提高燃料電池的功率密度、可靠性和耐久性，減少資源的浪費(fèi)，具有較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種制備燃料電池膜電極密封邊框的對位方法。使用這種對位方法制備的膜電極密封邊框具有較高的對位精度，膜電極活性面積可精確控制，能有效提高膜電極加工制造的合格率和原材料利用率。該方法適合于膜電極密封邊框批量化生產(chǎn)過程中的對位精度控制。本發(fā)明所述的帶密封邊框的燃料電池膜電極，其結(jié)構(gòu)包括a)聚合物離子交換膜，它有一個陰極面，一個陽極面，以及外邊緣；b)陰極催化劑層，它與所述的聚合物離子交換膜的至少一部分陰極面相接觸；c)陽極催化劑層，它與所述的聚合物離子交換膜的至少一部分陽極面相接觸；d)陰極密封邊框，它具有陰極邊框膜和陰極第一粘附層，其陰極第一粘附層與所述的聚合物離子交換膜的至少一部分陰極面相接觸，陰極邊框膜和陰極第一粘附層外邊緣與聚合物離子交換膜的外邊緣共面，或陰極密封邊框完全覆蓋聚合物離子交換膜外邊緣；e)陽極密封邊框，它具有陽極邊框膜和陽極第一粘附層，其陽極第一粘附層與所述的聚合物離子交換膜的至少一部分陽極面相接觸，陽極邊框膜和陽極第一粘附層外邊緣與聚合物離子交換膜的外邊緣共面，或陽極密封邊框完全覆蓋聚合物離子交換膜外邊緣；f)陰極氣體擴(kuò)散層，它與所述的陰極催化劑層至少一部分相接觸；g)陽極氣體擴(kuò)散層，它與所述的陽極催化劑層至少一部分相接觸。本發(fā)明在制備燃料電池膜電極密封邊框時使用一種對位方法，使得聚合物離子交換膜兩側(cè)的陰極密封邊框活性區(qū)域和陽極密封邊框活性區(qū)域在目標(biāo)精度范圍內(nèi)對準(zhǔn)并覆合到聚合物離子交換膜的兩側(cè)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案陰極密封邊框和陽極密封邊框，制備完成后分別具有陰極密封邊框膜、陰極第一粘附層及陽極密封邊框膜、陽極第一粘附層，可以由一種如圖1所示的邊框疊層材料制備而來。這種邊框疊層材料，由支撐膜1、第二粘附層2、邊框膜3、第一粘附層4和保護(hù)膜5依次相疊構(gòu)成。其中，所述的支撐膜，它居于邊框疊層最外側(cè)起支撐疊層結(jié)構(gòu)的作用，同時也具有保護(hù)邊框膜的作用。支撐膜的厚度為0. 010 1. 000mm，優(yōu)選厚度為0. 020 0. 500mm，更優(yōu)選厚度為0. 050 0. 300mm ；所述的第二粘附層，它附著于支撐膜，起到粘附支撐膜和邊框膜的作用。第二粘附層的厚度為0. 001 0. 100mm,優(yōu)選厚度為0. 002 0. 050mm,更優(yōu)選厚度為0. 005 0. 030mm。所述的邊框膜，它與第二粘附層相接觸，是在制備膜電極時，構(gòu)成陰極密封邊框和陽極密封邊框的關(guān)鍵材料，具有阻隔反應(yīng)氣、阻隔電流、增加聚合物離子交換膜機(jī)械強(qiáng)度及保護(hù)聚合物離子交換膜等作用。邊框膜的厚度為0. 005 0. 400mm，優(yōu)選厚度為0. 010 0. 300mm,更優(yōu)選厚度為0. 015 0. 200mm ；所述的第一粘附層，它附著于邊框膜，在制備膜電極時，是構(gòu)成陰極密封邊框和陽極密封邊框的重要材料，起到粘附聚合物離子交換膜和邊框膜的作用。第一粘附層的厚度為0. 001 0. 100mm,優(yōu)選厚度為0. 002 0. 050mm,更優(yōu)選厚度為0. 005 0. 030mm ；所述的保護(hù)膜，它居于另一面最外側(cè)，起保護(hù)第一粘附層及邊框膜的作用。保護(hù)膜厚度為0. 005 0. 500mm，優(yōu)選厚度為0. 010 0. 100mm，更優(yōu)選厚度為0. 010 0. 050mm。所述的第一粘附層和第二粘附層由具有粘結(jié)作用的物質(zhì)構(gòu)成，優(yōu)選壓敏型膠粘齊 、熱熔型膠粘劑，包括橡膠類壓敏膠、聚乙烯基醚樹脂類壓敏膠、聚異丁烯壓敏膠、有機(jī)硅型壓敏膠、聚丙烯酸酯型壓敏膠、聚氨酯型壓敏膠、紫外線光固化型壓敏膠，電子射線固化型壓敏膠、聚酯型熱熔膠、聚氨酯型熱熔膠、聚酰胺型熱熔膠、聚烯烴型熱熔膠、EAA(乙烯-丙烯酸共聚物)型熱熔膠、EVA (乙烯-醋酸乙烯共聚物)型熱熔膠、SBS (苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)型熱熔膠、SIS (苯乙烯和異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物)型熱熔膠中的一種或幾種。所述的支撐膜、邊框膜和保護(hù)膜，由聚合物、紙或金屬材料或它們的復(fù)合材料構(gòu)成，優(yōu)選聚合物，包括聚酰胺(PA)、耐熱聚酰胺(HPN)、聚酰亞胺(PI)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚醚亞胺(PEI)、聚醚砜(PEQ、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPQ、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚丙烯(PP)、雙向拉伸聚丙烯(BOPP)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)、乙烯乙烯醇共聚物(EVOF)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)。更優(yōu)選聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亞胺 (PI)、聚醚酰亞胺(PEI)。本發(fā)明的一種制備燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于制備所述的膜電極密封邊框時，在陰極密封邊框施以陰極對位標(biāo)記，在陽極密封邊框施以陽極對位標(biāo)記，根據(jù)陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記在垂直于邊框平面方向上共同構(gòu)成的圖案，由人眼識別、或光學(xué)識別、或CCD識別，或其它能達(dá)到相同目的的方法，判斷陰極密封邊框與陽極密封邊框的對位偏差，據(jù)此對陰極密封邊框與陽極密封邊框的相對位置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整到目標(biāo)精度值范圍內(nèi)，再進(jìn)行陰極密封邊框、聚合物離子交換膜和陽極密封邊框依次對位覆合。邊框疊層材料、密封邊框、聚合物離子交換膜均具有一定的厚度，但在對位過程中人眼或者檢測設(shè)備是沿著垂直于這些材料平面的方向檢測，因此可以忽略材料厚度造成的影響，且均視為將各特征圖形放在同一平面來確定其位置關(guān)系。本發(fā)明的對位方法中，作為密封邊框?qū)ξ坏年帢O對位標(biāo)記各特征點(diǎn)與陰極密封邊框活性區(qū)域各特征點(diǎn)的距離為確定值或恒定值，作為密封邊框?qū)ξ坏年枠O對位標(biāo)記各特征點(diǎn)與陽極密封邊框活性區(qū)域各特征點(diǎn)的距離為確定值或恒定值，陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記的位置配合可為陰極密封邊框活性區(qū)域和陽極密封邊框活性區(qū)域各特征點(diǎn)在垂直于密封邊框平面方向上的對準(zhǔn)精度提供準(zhǔn)確有效的判斷。如圖2(a)中，陰極活性區(qū)域?yàn)锳1B1C1D1,陰極對位標(biāo)記為E1O1F1 ；圖2 (b)中，陽極活性區(qū)域?yàn)锳J2C2D2，陽極對位標(biāo)記為E2&F2。陰極對位標(biāo)記各特征點(diǎn)EpOpF1，特別是點(diǎn)O1 與陰極活性區(qū)域各特征點(diǎn)A1B1C1D1的距離各自為確定值，且等于陽極對位標(biāo)記各特征點(diǎn)E2、 02、F2，特別是點(diǎn)&與陽極活性區(qū)域各特征點(diǎn)AJ2C2D2的距離。陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記在垂直于邊框平面方向上構(gòu)成的圖案中，若O1與A重合，E1O1F1與E2O2F2構(gòu)成了完整的十字形圖案，則可以判斷陰極活性區(qū)域A1B1C1D1與陽極活性區(qū)域A2B2C2D2完全重合，陰極密封邊框與陽極密封邊框完全對準(zhǔn)；若O1與A的距離在目標(biāo)精度范圍內(nèi)，則可以判斷陰極活性區(qū)域A1B1C1D1與陽極活性區(qū)域A2B2C2D2的對準(zhǔn)精度在目標(biāo)精度范圍內(nèi)；若O1與仏的距離在目標(biāo)精度范圍以外，則可以判斷陰極活性區(qū)域A1B1C1D1與陽極活性區(qū)域A2B2C2D2的對準(zhǔn)精度在目標(biāo)精度范圍以外，需進(jìn)行相對位置的調(diào)整。本發(fā)明的對位方法中，作為邊框?qū)ξ坏年帢O對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記具有能進(jìn)行第一方向?qū)ξ坏奶卣鳂?biāo)記和能進(jìn)行第二方向?qū)ξ坏奶卣鳂?biāo)記，同時陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記具有差異化、易于相互區(qū)別的特點(diǎn)，便于在覆合過程中通過標(biāo)記的形狀區(qū)分陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記，利于有針對性地進(jìn)行陰極密封邊框或陽極密封邊框的位置調(diào)整。如圖2(a)所示的陰極對位標(biāo)記E1O1F1，其E1O1為長度方向?qū)ξ惶卣鳂?biāo)記，F(xiàn)1O1為幅寬方向?qū)ξ惶卣鳂?biāo)記，圖2(b)所示的陽極對位標(biāo)記^AF2，其4 為長度方向?qū)ξ惶卣鳂?biāo)記，F(xiàn)2A為幅寬方向?qū)ξ惶卣鳂?biāo)記。在對位過程中，E1O1與E2A的距離可以判斷為陰極活性區(qū)域與陽極活性區(qū)域在幅寬方向的對位偏差，F(xiàn)1O1和F2A的距離可以判斷為陰極活性區(qū)域與陽極活性區(qū)域在長度方向的對位偏差。陰極對位標(biāo)記E1O1F1與陽極對位標(biāo)記E2O2F2形狀相似但具有明顯的方向差異。在對位過程中，明確對位標(biāo)記的形狀和其對應(yīng)關(guān)系，即可明確該如何進(jìn)行密封邊框的位置調(diào)整。如陰極對位標(biāo)記與陽極對位標(biāo)記的位置關(guān)系如圖2(c)所示，則可明確應(yīng)向長度方向的負(fù)方向和幅寬方向的正方向調(diào)整陰極密封邊框的位置，或向長度方向的正方向和幅寬方向的負(fù)方向調(diào)整陽極密封邊框的位置，或兩個過程同時進(jìn)行，直至E1O1與^ 的距離以及O1F1 與AF2的距離在目標(biāo)精度范圍內(nèi)。如陰極對位標(biāo)記與陽極對位標(biāo)記的位置關(guān)系如圖2 (d)所示，則可明確應(yīng)向長度方向的正方向和幅寬方向的負(fù)方向調(diào)整陰極密封邊框的位置，或向長度方向的負(fù)方向和幅寬方向的正方向調(diào)整陽極密封邊框的位置，或兩個過程同時進(jìn)行， 直至^O1與E2A的距離以及O1F1與AF2的距離在目標(biāo)精度范圍內(nèi)。膜電極密封邊框的活性區(qū)域除了可以為比較常見的矩形外，還可以根據(jù)膜電極的制備需要沖切為其它四邊形、多邊形、圓形、橢圓形等形狀。陰極密封邊框的活性區(qū)域和陽極密封邊框的活性區(qū)域可以為全等的圖形。在陰/陽極非對稱結(jié)構(gòu)膜電極的制備中，也可以為相似但不全等的圖形。在陰極與陽極非對稱結(jié)構(gòu)的膜電極中，陰極密封邊框活性區(qū)域與陽極密封邊框活性區(qū)域相似但不全等。這種情況下必然有一活性區(qū)域面積較大，另一活性區(qū)域面積較小。則陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記的位置關(guān)系為，在某個精度范圍內(nèi)對準(zhǔn)疊加構(gòu)成特征圖案以后，面積較小的邊框活性區(qū)域處于面積較大的邊框活性區(qū)域范圍內(nèi)，且面積較小的活性區(qū)域各特征點(diǎn)與面積較大的活性區(qū)域各特征點(diǎn)的距離均在相應(yīng)的精度范圍內(nèi)本發(fā)明的對位方法中，所述的陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記的尺寸、顏色、位置適于人眼識別或適于光學(xué)識別或適于CCD識別，且陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記為相互對應(yīng)且具有互補(bǔ)特征的圖案，在陰極密封邊框、聚合物離子交換膜、陽極密封邊框在一定精度范圍內(nèi)對準(zhǔn)后陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記可疊加共同構(gòu)成某種易于人眼識別或易于光學(xué)識別或易于CCD識別的鮮明圖案。本發(fā)明的對位方法中，所述的陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記，在陰極密封邊框、聚合物離子交換膜和陽極密封邊框在一定精度范圍內(nèi)對準(zhǔn)覆合后，陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記疊加共同構(gòu)成某種易于人眼識別、或易于光學(xué)識別、或易于CCD識別的鮮明圖案。如圖3所示的幾組對位標(biāo)記，均由互相對應(yīng)且形狀上互補(bǔ)的兩個部分組成。圖3(a)所示的一組對位標(biāo)記，完全對準(zhǔn)疊加將構(gòu)成如圖4(a)所示的十字形圖案；圖3(b)及圖3(c)所示的一組對位標(biāo)記，完全對準(zhǔn)疊加將構(gòu)成如圖4(b)所示的帶交叉陰影(或顏色)的圓圈加十字形圖案；圖3(d)及3(e)所示的一組對位標(biāo)記，完全對準(zhǔn)疊加將構(gòu)成如圖4(c)所示的帶交叉陰影(或顏色)的正方形加十字形圖案；圖3(f)所示的一組對位標(biāo)記，完全對準(zhǔn)疊加將構(gòu)成如圖4(d)所示的正方形加粗十字形圖案。本發(fā)明的對位方法中，所述的陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記分別施加在陰極密封邊框和陽極密封邊框。膜電極密封邊框的主要作用是密封阻隔陰陽極反應(yīng)氣體避免其相互接觸，保護(hù)伸出活性區(qū)域以外的聚合物離子交換膜及加強(qiáng)其強(qiáng)度避免其遭到損壞，隔絕陰陽極的電流避免電池短路。因此陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記施加的位置，應(yīng)以不影響膜電極密封邊框的上述功能為原則。對位標(biāo)記可以施加在支撐膜、或邊框膜、或第一粘附層。施加的方法可以為模具沖壓、模具沖裁、模切沖裁施加，或涂覆的方法施加，包括手工刷涂、絲網(wǎng)印刷、切口棒涂覆、繞線棒涂覆、帶液體涂覆、狹縫給料刮涂、三輥涂覆、噴涂、或介質(zhì)轉(zhuǎn)印等方法施加，或曝光顯影施加，或粘接施加。優(yōu)選為沖切施加、噴涂施加。相應(yīng)地，對位標(biāo)記為易于識別的不同于周圍材料的印記，可以為切痕、凹凸痕跡、刮痕區(qū)域，或顏料、涂料造成的顏色與周圍反差的區(qū)域，或曝光顯影造成的圖案，或粘接的金屬片、塑料片等其它外加材料。具體施加位置可以為邊框膜或第一粘附層上的某些區(qū)域，這些區(qū)域在后續(xù)加工時會被裁切掉；施加位置也可以為邊框膜或第一粘附層上在后續(xù)加工時不會被裁切掉的區(qū)域，但施加的標(biāo)記不影響密封邊框的功能，如在邊框膜上印刷不影響燃料電池膜電極厚度均勻性、不脫落、不毒害催化劑、不影響燃料電池膜電極電性能的油墨、染色劑等。如果施加在如圖1所示的邊框疊層的支撐膜上，由于在后續(xù)的加工過程中對位覆合完成后支撐膜會被剝?nèi)?如專利[CN20101012M55. 8]所述)，不會影響密封邊框的性能，因此陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記也可以分別施加在陰極邊框疊層和陽極邊框疊層的支撐膜上，完成了密封邊框的對位覆合后再剝?nèi)ブ文?。?yōu)選施加在邊框疊層的支撐膜上。本發(fā)明的對位方法中，所述的陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記，在進(jìn)行邊框活性區(qū)域裁切的同時施加，或在進(jìn)行邊框活性區(qū)域裁切之前預(yù)先施加，或者在進(jìn)行邊框活性區(qū)域裁切之后施加，優(yōu)選在進(jìn)行邊框活性區(qū)域裁切的同時施加。同時施加的好處在于對位標(biāo)記與活性區(qū)域的位置關(guān)系更易于控制，施加的位置精度更高。預(yù)先施加和之后施加的方式，需要解決對位標(biāo)記與活性區(qū)域的定位的問題。預(yù)先施加對位標(biāo)記以后，需要精確識別對位標(biāo)記的位置后沖切活性區(qū)域；之后施加對位標(biāo)記，又需要精確識別活性區(qū)域的位置以后施加對位標(biāo)記，都會帶來二次誤差以及系統(tǒng)過于復(fù)雜可靠性不高等問題。本發(fā)明的對位方法適合于以下兩種情況a)在燃料電池膜電極邊框覆合前，通過確定陰極對位標(biāo)記與陽極對位標(biāo)記在垂直于密封邊框平面上所構(gòu)成圖案的情況，實(shí)時調(diào)整陰極密封邊框和陽極密封邊框的位置，至滿足邊框覆合精度要求后，進(jìn)行陰極密封邊框、聚合物離子交換膜、陽極密封邊框的覆合；b)在燃料電池膜電極密封邊框周期性連續(xù)覆合時，通過確定鄰近的已經(jīng)覆合的膜電極密封邊框的陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記所構(gòu)成的圖案的精度情況，判斷這些膜電極陰/陽極密封邊框活性區(qū)域的對位偏差及其變化趨勢，然后用以指導(dǎo)后續(xù)將要覆合的膜電極陰極密封邊框和陽極密封邊框的相對位置調(diào)整，并進(jìn)行覆合。如此循環(huán)進(jìn)行，直至周期性連續(xù)覆合的膜電極密封邊框?qū)ξ痪仁冀K處于允許的對位精度范圍內(nèi)。在周期性連續(xù)覆合時密封邊框時，最初的數(shù)片膜電極密封邊框的對準(zhǔn)可以按照如 a)所述的方法進(jìn)行，但隨著“累積誤差”的出現(xiàn)，如果繼續(xù)保持原狀態(tài)，對位精度就會超出允許范圍，因此在連續(xù)覆合時需要實(shí)時調(diào)整未覆合但即將覆合的陰極邊框和陽極邊框的位置，由于邊框周期性連續(xù)覆合時的走料“累積誤差”等一系列問題，調(diào)整的依據(jù)只能是相鄰的已經(jīng)覆合的密封邊框的精度及其偏差的發(fā)展趨勢。按此方法調(diào)整，“累積誤差”的影響可被有效減小甚至消除，各密封邊框的對位精度可始終在允許的范圍內(nèi)波動。
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附圖1是邊框疊層結(jié)構(gòu)示意圖附圖2 (a)是帶陰極對位標(biāo)記的陰極密封邊框示意圖附圖2 (b)是帶陽極對位標(biāo)記的陽極密封邊框示意圖附圖2 (C)和附圖2 (d)是密封邊框?qū)ξ贿^程中常見的兩種對位情況附圖3是常用的6種陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記示意圖附圖4是各種對位標(biāo)記對準(zhǔn)疊加后構(gòu)成的圖案示意圖附圖5是陰極密封邊框、聚合物離子交換膜、陽極密封邊框?qū)ξ桓埠鲜疽鈭D附圖6是陰極密封邊框、聚合物離子交換膜、陽極密封邊框周期性連續(xù)對位覆合示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例闡明本發(fā)明的內(nèi)容。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，不難看出本發(fā)明具有許多改進(jìn)和替代形式，只要它們不背離本發(fā)明的范圍和原理，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不受下列示例性實(shí)施方式的限制。實(shí)施例1 本實(shí)施例中對位目標(biāo)精度為陰陽極活性區(qū)域?qū)ξ黄畈淮笥?. 20mm。1)將幅寬為170mm的邊框疊層，按如圖2 (a)所示的位置裁切陰極密封邊框活性區(qū)域A1B1C1D1，A1B1C1D1為矩形，A1D1平行于邊框疊層的長度方向。A1B1 = C1D1 = 120mm, A1D1 =B1C1 = 200mm。2)在進(jìn)行陰極密封邊框活性區(qū)域沖切的同時按如圖2(a)所示的位置在陰極邊框疊層的支撐膜上向邊框膜方向沖切施加陰極對位標(biāo)記E1O1F1,其中，E1O1丄F1O1, E1O1ZVA1D1， E1O1 = F1O1 = 4mm, O1 到 A1D1 的距離為 20. 00mm、O1 到 A1B1 的距離為 60. 00mm。E1O1、F1O1 的沖切深度不超過支撐膜的厚度，E1OpF1O1的施加分辨率及清晰度以CCD成像檢測裝置能準(zhǔn)確識別為標(biāo)準(zhǔn)。3)將幅寬為170mm的邊框疊層，按如圖2 (b)所示的位置裁切陽極密封邊框活性區(qū)域 AJ2C2D2，A2B2C2D2 ^ A1B1C1D1，A2D2 平行于邊框疊層的長度方向。= C2D2 = 120mm, A2D2 = B2C2 = 200mm。4)在進(jìn)行陽極密封邊框活性區(qū)域沖切的同時按如圖2(b)所示的位置在陽極邊框疊層的支撐膜上向邊框膜方向沖切施加陽極對位標(biāo)記E2RF2,其中，E2A丄F2O2，E2O2ZVA2D2， E2O2 = F2O2 = 4mm, O2 到 A2D2 的距離為 20. 00mm、O2 到 A2B2 的距離為 60. OOmm0 E202、F2O2 的沖切深度不超過支撐膜的厚度，E2O2, F2O2的施加分辨率及清晰度以CCD成像檢測裝置能準(zhǔn)確識別為標(biāo)準(zhǔn)。5)將帶有陰極對位標(biāo)記的陰極密封邊框、聚合物離子交換膜、帶有陽極對位標(biāo)記的陽極密封邊框按如圖5所示的位置關(guān)系依次擺放，使三者各自保持一定的張力繃平，且使三者所在的平面保持平行。將CCD成像檢測系統(tǒng)的探頭按圖示的方式置于垂直于陽極密封邊框、聚合物離子交換膜、陰極密封邊框三者平面的方向。6) CCD系統(tǒng)檢測陰陽極對位標(biāo)記E1O1F1和E2AF2的位置關(guān)系。
若F1O1與F2A的距離大于0. 2mm，則沿著長度方向的負(fù)方向調(diào)整陰極密封邊框的位置，或沿著長度方向的正方向調(diào)整陽極密封邊框的位置，或兩個過程同時進(jìn)行，直至F1O1 與F2A的距離不大于0. 20mm ；若E1O1與E2A的距離大于0. 2mm，則沿著幅寬方向的正方向調(diào)整陰極密封邊框的位置，或沿著幅寬方向的負(fù)方向調(diào)整陽極密封邊框的位置，或兩個過程同時進(jìn)行，直至E1O1 與E2A的距離不大于0. 20mm ；7)陰極密封邊框、陽極密封邊框的對位精度檢測和調(diào)整完成以后，將陰極密封邊框、聚合物離子交換膜、陽極密封邊框進(jìn)行覆合，并進(jìn)行剝膜排廢處理，得到帶密封邊框的聚合物離子交換膜，經(jīng)破壞性測試，結(jié)果表明陰陽極活性區(qū)域的各特征點(diǎn)對位偏差均不大于 0. 20mm。實(shí)施例2 本實(shí)施例中對位目標(biāo)精度為陰陽極活性區(qū)域?qū)ξ黄畈淮笥?. 20mm。1)如圖6所示，將幅寬為170mm的邊框疊層M，沖切陰極密封邊框活性區(qū)域 、、、 C1... gl、h” i1 a” b” C1... gl、h” I1 均為 200mmX 120mm 的矩形，其中長度方向?yàn)?200mm，幅寬方向?yàn)?20mm。各矩形活性區(qū)域距邊框疊層材料幅寬方向正方向的邊緣為20mm，各矩形活性區(qū)域距邊框疊層材料幅寬方向負(fù)方向的邊緣為30mm，且各矩形活性區(qū)域之間的間距相等。在沖切活性區(qū)域的同時，在邊框疊層的支撐膜邊緣同時沖切陰極對位標(biāo)記，各陰極對位標(biāo)記位置固定，間距相等；2)如圖6所示，將幅寬為170mm的邊框疊層N，沖切陽極密封邊框活性區(qū)域 、b2、 C2-g2, h2、I2, a2、b2、C2-g2, h2、i2 均為 200mmX 120mm 的矩形，其中長度方向?yàn)?200mm，幅寬方向?yàn)?20mm。各矩形活性區(qū)域距邊框疊層材料幅寬方向正方向的邊緣為20mm，各矩形活性區(qū)域距邊框疊層材料幅寬方向負(fù)方向的邊緣為30mm，且各矩形活性區(qū)域之間的間距相等。在沖切活性區(qū)域的同時，在邊框疊層的支撐膜邊緣同時沖切陽極對位標(biāo)記，各陽極對位標(biāo)記位置固定，間距相等；3)將沖切活性區(qū)域后的陰極邊框疊層M、沖切活性區(qū)域后的陽極邊框疊層N通過 CCD成像檢測系統(tǒng)II檢測對位后，進(jìn)行位置調(diào)整，然后通過覆合機(jī)構(gòu)Q將陰極邊框疊層M、 聚合物離子交換膜P、陽極邊框疊層N進(jìn)行覆合；4)通過CXD成像檢測系統(tǒng)I檢測已經(jīng)覆合的各陰陽極對位標(biāo)記的長度方向?qū)ξ痪群头鶎挿较驅(qū)ξ痪?，檢測結(jié)果如下表所示
權(quán)利要求
1.一種制備燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于制備所述的膜電極密封邊框時，在陰極密封邊框施以陰極對位標(biāo)記，在陽極密封邊框施以陽極對位標(biāo)記，根據(jù)陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記在垂直于邊框平面方向上共同構(gòu)成的圖案，由人眼識別、或光學(xué)識別、或CCD識別，判斷陰極密封邊框與陽極密封邊框的對位偏差，據(jù)此對陰極密封邊框與陽極密封邊框的相對位置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整到目標(biāo)精度值范圍內(nèi)，再進(jìn)行陰極密封邊框、聚合物離子交換膜和陽極密封邊框依次對位覆合。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于制備膜電極密封邊框的陰極密封邊框和陽極密封邊框使用一種邊框疊層材料，該邊框疊層材料由支撐膜(1)、第二粘附層O)、邊框膜(3)、第一粘附層G)、保護(hù)膜( 依次相疊構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于陰極對位標(biāo)記的各特征點(diǎn)與陰極密封邊框活性區(qū)域各特征點(diǎn)的距離為確定值，陽極對位標(biāo)記的各特征點(diǎn)與陽極密封邊框活性區(qū)域各特征點(diǎn)的距離為確定值。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記為具有能進(jìn)行第一方向?qū)ξ坏奶卣鳂?biāo)記和第二方向?qū)ξ坏奶卣鳂?biāo)記。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記之間具有差異化、易于相互區(qū)別的特點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記的尺寸、顏色、位置，適于人眼識別、或適于光學(xué)識別、或適于C⑶識別。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記，為相互對應(yīng)、且具有互補(bǔ)特征的圖案。
8.如權(quán)利要求1所述的燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記，在陰極密封邊框、聚合物離子交換膜和陽極密封邊框在一定精度范圍內(nèi)對準(zhǔn)覆合后，陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記疊加共同構(gòu)成某種易于人眼識別、或易于光學(xué)識別、或易于CCD識別的鮮明圖案。
9.如權(quán)利要求1所述的燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記的施加方式為沖切施加，或噴涂、印刷或轉(zhuǎn)印方法施加，或曝光顯影施力口，或粘接方法施加。
10.如權(quán)利要求1所述的燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記的施加方式為沖切施加，或噴涂施加。
11.如權(quán)利要求1所述的燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記，在進(jìn)行邊框活性區(qū)域裁切的同時施加，或在進(jìn)行邊框活性區(qū)域裁切之前預(yù)先施加，或者在進(jìn)行邊框活性區(qū)域裁切之后施加。
12.如權(quán)利要求1所述的燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記，在進(jìn)行邊框活性區(qū)域裁切的同時施加。
13.如權(quán)利要求2所述的燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記，分別施加于所述的陰極邊框疊層材料的支撐膜和陽極邊框疊層材料的支撐膜。
14.如權(quán)利要求2所述的燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于對位標(biāo)記的施加位置為邊框膜上或第一粘附層上在后期加工時會裁切掉的區(qū)域。
15.如權(quán)利要求2所述的燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于對位標(biāo)記的施加位置為邊框膜C3)上在后期加工時不會裁切掉，但不影響膜電極密封邊框短期及長期密封、保護(hù)、絕緣功能的區(qū)域。
16.如權(quán)利要求1所述的燃料電池膜電極邊框的對位方法，其特征在于該方法使用于以下情況，在燃料電池膜電極邊框覆合前，通過確定陰極對位標(biāo)記與陽極對位標(biāo)記在垂直于密封邊框平面上所構(gòu)成圖案的情況，實(shí)時調(diào)整陰極密封邊框和陽極密封邊框的位置，直至滿足邊框覆合精度要求后，進(jìn)行陰極密封邊框、聚合物離子交換膜和陽極密封邊框的覆I=I O
17.如權(quán)利要求1所述的燃料電池膜電極密封邊框的對位方法，其特征在于該方法使用于以下情況，在燃料電池膜電極密封邊框周期性連續(xù)覆合時，通過確定鄰近的已經(jīng)覆合的膜電極密封邊框的陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記所構(gòu)成的圖案，判斷這些膜電極陰極和陽極密封邊框活性區(qū)域的對位偏差及其變化趨勢，然后據(jù)此對后續(xù)將要覆合的陰極密封邊框和陽極密封邊框的相對位置進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)行覆合，如此循環(huán)進(jìn)行，直至周期性連續(xù)覆合的膜電極密封邊框?qū)ξ痪仁冀K處于允許的對位精度范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備燃料電池膜電極密封邊框的對位方法。在制備膜電極密封邊框時，在陰極密封邊框施以陰極對位標(biāo)記，在陽極密封邊框施以陽極對位標(biāo)記，根據(jù)陰極對位標(biāo)記和陽極對位標(biāo)記在垂直于密封邊框平面方向上構(gòu)成的圖案，由人眼識別、或光學(xué)識別、或CCD識別，判斷陰極密封邊框活性區(qū)域與陽極密封邊框活性區(qū)域的對位偏差，據(jù)此對陰極密封邊框與陽極密封邊框的相對位置進(jìn)行調(diào)整，從而進(jìn)行陰極密封邊框、聚合物離子交換膜和陽極密封邊框在一定精度范圍內(nèi)的對位覆合，使得制備的膜電極密封邊框活性區(qū)域可以具有較高的對位精度，膜電極活性面積可精確控制。本方法適合于膜電極密封邊框批量化生產(chǎn)中的對位精度控制。
文檔編號H01M8/02GK102569844SQ20121001635
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者宛朝輝, 廖鑫, 李笑暉, 潘牧, 胡阿勇, 艾勇誠, 陳磊 申請人:武漢理工新能源有限公司