專利名稱：層壓設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造聚合物電解液膜燃料電池的部件和設(shè)備，以及用于通過層壓各種層來形成膜電極組件以制造它們的自動(dòng)化方法。
背景技術(shù)：
美國專利第6,159,327號、第6,007,660號以及第5,783,024號揭示了用于制作在一側(cè)或兩側(cè)上層壓有層壓物的剪切薄片的多個(gè)基片的設(shè)備和方法。

發(fā)明內(nèi)容
簡要地說，本發(fā)明提供一種用于制作膜電極組件的方法，該方法包括以下步驟提供一聚合物電解液膜材料的卷材和一層壓工段，在該層壓工段中，在形成一層壓輥隙的層壓工段中的一對層壓輥之間拖動(dòng)聚合物電解液膜材料的卷材；沖切催化劑貼花紙材料或電極材料的一第一和第二卷材，以在第一和第二轉(zhuǎn)模工段處制成第一和第二工件；通常是在沖切的工件從第一和第二卷材完全切割下來之前，通過低于大氣壓的壓力的作用將它們保持至第一和第二真空輸送器的一環(huán)狀多孔皮帶；將第一和第二工件運(yùn)輸?shù)綄訅汗ざ沃械哪さ南鄬?cè)；通常是在第一和第二工件被第一和第二真空輸送器完全釋放之前，將第一和第二工件同時(shí)進(jìn)給到與膜相鄰的層壓輥隙中；以及，有利的是以精確配準(zhǔn)的狀態(tài)來將第一和第二工件層壓到膜上。
在另一方面，本發(fā)明提供一種用于制作膜電極組件的設(shè)備，該設(shè)備包括一層壓工段；一第一和第二真空輸送器；以及一第一和第二轉(zhuǎn)模工段。這五個(gè)部件可定位和傳動(dòng)連接在一起，以使從第一和第二轉(zhuǎn)模工段出現(xiàn)的第一和第二工件在完全從第一和第二卷材切割下來之前就通過低于大氣壓的壓力的作用保持至第一和第二真空輸送器的環(huán)狀多孔皮帶，并且在它們被真空輸送器釋放之前就被進(jìn)給入與膜相鄰的層壓輥隙中。
在另一方面，本發(fā)明提供一種包括多個(gè)膜電極組件的膜，所述膜包括具有一第一和第二表面的一聚合物電解液膜；多個(gè)第一帶有圖案的催化劑層節(jié)段或電極，它們層壓在膜的第一表面上，且使相鄰的帶有圖案的催化劑層節(jié)段彼此不接觸；以及多個(gè)第二帶有圖案的催化劑層節(jié)段或電極，它們層壓在膜的第二表面上，且使相鄰的帶有圖案的催化劑層節(jié)段彼此不接觸。通常，第一帶有圖案的催化劑層節(jié)段或電極與第二帶有圖案的催化劑層節(jié)段或電極精確地配準(zhǔn)。通常，所述第一和第二帶有圖案的催化劑層節(jié)段或電極的周界呈除了平行四邊形之外的形狀。第一催化劑層節(jié)段或電極的催化劑成分可不同于第二催化劑層節(jié)段或電極的催化劑成分。
在另一方面中，本發(fā)明提供一種沖切的催化劑貼花紙或電極，其周界呈除了平行四邊形之外的形狀，且通常是通過旋轉(zhuǎn)沖切的方法來制作。
在本申請中“層壓”指的是將兩片或多片薄片材料結(jié)合在一起；“膜電極組件”指的是包括至少三層的一結(jié)構(gòu)，包括一催化劑層、一層聚合物電解液膜以及另一催化劑膜；它也可以包括五層，包括一流體運(yùn)輸層、一催化劑層、一層聚合物電解液膜、另一催化劑層以及另一流體運(yùn)輸層；以及“流體運(yùn)輸層”可包括以前稱為“分散劑/集流器(DCC)”層、“”氣體分散層”(GDL)或者“電極背襯層”(EBL′s)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于提供了用于制造聚合物電解液膜燃料電池的方法、設(shè)備和部件。
附圖簡述

圖1和2示出了根據(jù)本發(fā)明的一設(shè)備的兩個(gè)視圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1和2，根據(jù)本發(fā)明的一設(shè)備包括一對轉(zhuǎn)模工段10、20；一對成角度的真空輸送器30、40；以及一層壓工段50。成角度的真空輸送器30、40可以是在共同待審批的美國專利申請第＿/＿,＿號中所描述的真空輸送器，該申請的題目為“成角度的產(chǎn)品轉(zhuǎn)移輸送器(Angleed Product TransferConveyor)”，且與本申請同日提出。模切工段與成角度的真空輸送機(jī)的多個(gè)組合(10與30以及20與40)可包括在與本申請同日提出、題目為“成角度的產(chǎn)品轉(zhuǎn)移輸送器”的共同待審批的美國專利申請第＿/＿,＿號中所描述的用于切割和運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備。層壓工段50可包括在與本申請同日提出的、題目為“用于層壓輥的間隙調(diào)整器(Gap Adjuster for Laminating Rolls)”的共同待審批的美國專利申請第＿/＿,＿號中所描述的間隔塊和其它的層壓設(shè)備。
可以使用任何合適的轉(zhuǎn)模工段。每一轉(zhuǎn)模工段10、20包括一轉(zhuǎn)模60，支承輥70可旋轉(zhuǎn)地附接在包括框架件80的一框架上。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)模60和支承輥70中的一個(gè)或者兩者。轉(zhuǎn)模60和支承輥70通常是通過電子或機(jī)械的傳動(dòng)而傳動(dòng)連接在一起。在如圖所示的設(shè)備中，支承輥70由伺服電動(dòng)機(jī)90驅(qū)動(dòng)，并機(jī)械地傳動(dòng)連接至轉(zhuǎn)模60。可以采用任何適合的轉(zhuǎn)模60與支承件70的組合。轉(zhuǎn)模60通常包括纏繞在輥?zhàn)油獠可系囊粋€(gè)或多個(gè)刃口(在圖1和2中并不明顯)，所述刃口的深度適于所要切割的材料。與產(chǎn)生具有選自平行四邊形組的形狀的工件的簡單斬切或剪切設(shè)備不同，轉(zhuǎn)模60能夠從連續(xù)的卷材(未示出)中產(chǎn)生任意形狀的切割工件100，包括諸如圓角的弧形部分。典型的沖切形狀由于沖切機(jī)加工的層壓而帶有圓角，并因而不是平行四邊形。連續(xù)卷材和切割工件100可以是要層壓成膜110的任何適合的材料。
在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)用于燃料電池的膜電極組件制造中的實(shí)施例中，工件100是包括一襯墊層和一包含微粒催化劑金屬的、共同伸長的催化劑層的催化劑貼花紙(decal)。這樣的工件是從在轉(zhuǎn)模60的切割部分之下通過的、在至少一個(gè)部分上涂覆有催化劑層的襯墊層的連續(xù)卷材上切割下來的?？梢允褂萌魏魏线m的襯墊，包括厚度通常是小于1毫米、更通常是小于0.5毫米以及更加通常的是小于0.2毫米的任何適合的柔性聚合薄片材料。可通過任何合適的方法來施加催化劑層，包括棒條涂覆、噴涂、狹縫涂覆、刷涂以及類似的方法。催化劑層的厚度通常是小于1毫米，更通常是小于0.5毫米，以及更加通常是小于0.2毫米?？梢允褂萌魏魏线m的催化劑成分。通常催化劑成分包括支承在碳顆粒上的鉑、鈀、釕以及其它催化劑金屬、或者催化劑金屬組合的細(xì)粒。碳支承的催化劑顆粒通常為50-60％重量的碳和40-50％重量的催化劑金屬，催化劑金屬通常是，對于陰極包括Pt，以及對于陽極包括重量比為2∶1的Pt和Ru。典型的催化劑成分還可包括諸如磺化氟含聚合物之類的聚合物電解液材料，包括NafionTM或FlemionTM。通常，在層壓催化劑貼花紙之后去除該襯墊。
在根據(jù)本發(fā)明的另一用于燃料電池的膜電極組件制造中的實(shí)施例中，工件100是包括一流體運(yùn)輸層和一包含微粒催化劑金屬的、共同伸長的催化劑層的電極。這樣的工件是從在轉(zhuǎn)模60的切割部分之下通過的、在至少一個(gè)部分上涂覆有催化劑層的流體運(yùn)輸層的連續(xù)卷材上切割下來的。可以使用任何合適的流體運(yùn)輸層。用于燃料電池用途的合適的流體運(yùn)輸層是多孔的以允許流體通過，并且是導(dǎo)電的。典型的流體運(yùn)輸層包括碳纖維織物、席子、無紡布和紙張，如Toray Carbon Paper(日本東京的Toray Industries Inc.的產(chǎn)品)。可以任何合適的方式來施加催化劑層，包括棒條涂覆、噴涂、狹縫涂覆、刷涂以及類似的方法?？墒褂萌魏魏线m的催化劑成分。典型的催化劑成分包括支承在碳顆粒上的鉑、鈀、釕以及其它催化劑金屬、或者催化劑金屬組合的細(xì)粒。碳支承的催化劑顆粒通常為50-60％重量的碳和40-50％重量的催化劑金屬，催化劑金屬通常，對于陰極包括Pt，以及對于陽極包括重量比為2∶1的Pt和Ru。典型的催化劑成分還可包括諸如磺化氟聚合物之類的聚合物電解液材料，包括NafionTM或FlemionTM。在涂覆催化劑分散物之前，通常對氣體擴(kuò)散層涂覆諸如TeflonTM之類的憎水層，且通常通過浸入在它的水性懸浮液中來進(jìn)行涂覆，然后，通常再對其涂覆一炭黑分散物。炭黑分散物通常是一水性分散物，其可包括炭黑和Teflon，以及可選擇地包含TRITON X-100(UnionCarbde Corp.，Danbury)之類的表面活性劑。更通常，分散劑是水和異丙醇的混合物，通常包括不超過60％重量的異丙醇。通常將炭黑分散物以0.01至0.1毫米的潮濕厚度涂覆到Toray紙上。通常在一爐子中、以380℃的溫度來干燥涂覆有流體運(yùn)輸層的Teflon和炭黑10分鐘。然后，通常再以每平方厘米產(chǎn)生0.2-5毫克催化劑金屬(Pt或Pt加Ru)的量進(jìn)一步對該涂覆好的流體運(yùn)輸層涂覆催化劑，以形成涂覆有催化劑的流體運(yùn)輸層。
在根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池的膜電極組件制造中的實(shí)施例中，膜110是諸如磺化氟聚合物之類的聚合物電解液膜，如Nafion(特拉華州威爾明頓的DuPont Chemicals)和FlemionTM(日本東京的Asahi Glass Co.Ltd.)用于本發(fā)明中的聚合物電解液通常具有磺酸酯官能團(tuán)的、四氟乙烯與一種或多種氟化酸官能團(tuán)共聚單體的共聚物。最通常，該聚合物電解液是Nafion。聚合物電解液通常具有1200或更小的酸當(dāng)量，更通常是1100或更小，更加通常是1050或更小，以及最最通常是約1000。聚合物電解液膜可以用懸浮液澆注、涂覆或以其它方式來形成?？梢允褂萌魏魏线m的涂覆或澆注方法，包括棒條涂覆、噴涂、狹縫涂覆、刷涂以及類似的方法。膜110通常為100微米厚或更薄，更通常為50微米厚或更薄，以及更加通常為30微米厚或更薄。
可以使用任何合適的真空輸送器。成角度的真空輸送器30、40包括穿有諸皮帶孔121的環(huán)狀多孔皮帶120。該皮帶可用任何合適的材料制成，包括聚合物、橡膠、織物、復(fù)合物以及類似的材料，只要外表面與要在皮帶上運(yùn)輸?shù)墓ぜ?10相容即可。環(huán)狀多孔皮帶120在設(shè)有縱向開口(未示出)的第一真空板130和設(shè)有縱向開口(未示出)的第二真空板140之上通過。皮帶孔121與縱向開口對齊地成行排布。通常，各真空板130、140設(shè)有與至少兩行皮帶孔121對齊的至少兩個(gè)縱向開口。更通常，各真空板130、140設(shè)有于四個(gè)或更多行的皮帶孔121對齊的四個(gè)或更多的縱向開口，以使真空輸送器能橫跨不同尺寸的工件100寬度的大部分而抓住這些工件。在圖示的實(shí)施例中，沿著朝向真空板的方向驅(qū)動(dòng)環(huán)狀多孔皮帶120，且所述真空板向下傾斜，以將工件100傳送到層壓臺50。
第一和第二真空板130、140中的縱向開口分別與第一和第二真空室(未示出)連通。第一和第二真空板保持在第一和第二低于大氣壓的壓力之下，以使該低于大氣壓的壓力有助于將工件100保持至環(huán)狀多孔皮帶120。第一和第二低于大氣壓的壓力可以是相同或者不同的。當(dāng)?shù)谝缓偷诙陀诖髿鈮旱膲毫Σ煌瑫r(shí)，第一低于大氣壓的壓力通常小于第二低于大氣壓的壓力，使輸送器能更好地把來到第一真空板130之上的位置處的輸送器上的工件100保持住，并從第二真空板140之上的位置處釋放工件而使之離開輸送器?？捎扇魏魏线m的裝置來將第一和第二真空室保持在第一和第二低于大氣壓的壓力下。真空室可在功能上與一個(gè)或多個(gè)諸如真空泵或類似裝置之類的低于大氣壓的壓力源相連。
第一真空板130位于相對水平的一第一角度處，所述第一角度大致為0°。第二真空板140位于相對水平的一第二角度處，所述第二角度大致為-45°。通常，第一和第二角度不相等。通常，第一角度相對水平在30°與-30°之間，所述第二角度相對水平在-30°與-90°之間。通常，第一角度相對水平在5°與-5°之間，所述第二角度相對水平在-40°與-50°之間。這些角度使成角度的真空輸送器30、40能從轉(zhuǎn)模工段10、20接受工件100，并將工件100向下傳送到層壓工段50的層壓輥隙中。
第一和第二真空板130、140安裝在由一個(gè)多框架件150組成的框架中。環(huán)狀多孔皮帶120在多個(gè)可旋轉(zhuǎn)地安裝在框架件150上的輥?zhàn)又贤ㄟ^。環(huán)狀多孔皮帶120還穿過由伺服電動(dòng)機(jī)170提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)160。
在真空輸送器的位置處，可以替代地使用任何主動(dòng)的抓持輸送器。主動(dòng)的抓持輸送器可包括已知的拾取和放置機(jī)構(gòu)，包括包含銜鐵機(jī)構(gòu)的那些機(jī)構(gòu)；已知的雙帶輸送器，它采用一對皮帶以形成輸送工件的一延伸的輥隙；以及已知的靜電輸送器，它通過使用靜電荷來將工件保持在環(huán)狀皮帶上。真空輸送器用于運(yùn)送易碎的工件是有利的。
層壓工段50包括第一層壓輥180和第二層壓輥190。可由諸如電動(dòng)機(jī)或類似的裝置來驅(qū)動(dòng)第一層壓輥180和第二層壓輥190中的任一個(gè)或者兩者。通常是驅(qū)動(dòng)兩者。第一層壓輥180和第二層壓輥190通常傳動(dòng)連接在一起，以使它們在間隙處具有相同的速度。在一個(gè)實(shí)施例中，由驅(qū)動(dòng)皮帶201和皮帶輪202、203的伺服電動(dòng)機(jī)200驅(qū)動(dòng)第一層壓輥180和第二層壓輥190。一皮帶張緊系統(tǒng)(未示出)保持彎曲部分204。
通常，第一層壓輥180和第二層壓輥190騎跨在軸承210上，該軸承為諸如滾珠軸承、滾柱軸承、滾針軸承以及類似的已知類型的軸承。軸承210附接在設(shè)備框架220上，以使在軸承210上可施加或保持一定的壓力，這樣的壓力用于將第一和第二層壓輥180、190壓在一起。軸承殼體可固定地附接在框架220上，或者借助于氣動(dòng)或液壓活塞和汽缸230附接，如圖所示。軸承機(jī)構(gòu)可形成任一輥?zhàn)踊騼蓚€(gè)輥?zhàn)拥尿?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一部分。
可通過任何合適的方法來加熱第一層壓輥180和第二層壓輥190，但通常是通過諸如電加熱或循環(huán)熱空氣、水或油之類的方法來從內(nèi)部加熱。
通常，在第一層壓輥180和第二層壓輥190之間保持一最小的層壓間隙。該最小的層壓間隙通常通過使用與本申請同日提出、題目為“用于層壓輥的間隙調(diào)整器”的共同待審批的美國專利申請第＿/＿,＿號中所描述的間隔塊來保持。通過以這種方式保持一最小的間隙，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可用于間斷式層壓，亦即要層壓的一層或多層在層壓過程中不是連續(xù)地出現(xiàn)在層壓間隙中。在這種情況中，產(chǎn)品可以是帶有層壓于其的非連續(xù)的附加薄片材料塊片的連續(xù)卷材。在間斷式層壓的情況中，如果在非連續(xù)的薄片材料沒有出現(xiàn)在間隙中時(shí)施加全部的層壓壓力，則可能會壓碎或損壞連續(xù)卷材。
通常，在層壓過程中，在層壓輥隙的兩側(cè)上引入層壓覆蓋襯墊的卷材，以使第一層壓輥180和第二層壓輥190在層壓過程中分別被一第一層壓覆蓋襯墊和一第二層壓覆蓋襯墊所覆蓋。使用層壓覆蓋襯墊可允許更高溫度的層壓。
在層壓之后，從層壓物上去除并重新卷繞起第一和第二層壓覆蓋襯墊。第一和第二層壓覆蓋襯墊可使用任何合適的材料，只要這些材料在層壓條件下不會被層壓且不會對層壓物施加任何所不希望有的紋理即可。
成角度的真空輸送器30、40以及轉(zhuǎn)模工段10、20有利的是布置成，從工件材料的卷材上切割下來的一工件100的一顯露的部分，在工件100從工件材料的卷材上完全分離下來之前，就能通過第一真空室中的第一低于大氣壓的壓力的作用、穿過第一真空板130和環(huán)狀多孔皮帶120抽吸空氣而成為被保持住。成角度的真空輸送器30、40以及層壓工段50有利的是布置成，在由一成角度的真空板30、40運(yùn)輸?shù)墓ぜ?00的前導(dǎo)邊完全被成角度的輸送器30、40釋放之前，就將其拖入層壓工段50的層壓輥隙中。最為有利的是，兩個(gè)布置都設(shè)計(jì)成，在工件100從工件材料的卷材完全分離之前由成角度的真空輸送器30、40保持住工件100，并且，在工件100被成角度的真空輸送器30、40被完全釋放之前將其拖入層壓工段50的層壓輥隙中。以這種方式，在每一步驟中都保持了對工件位置的主動(dòng)控制。結(jié)果，可以精確地配準(zhǔn)在兩側(cè)上的層壓膜110。精確的配準(zhǔn)通常意味著圖案切割的薄片材料的周界匹配至2毫米、更通常是1毫米、更通常是0.5毫米、更通常是250微米以及再更通常是125微米之內(nèi)。
用于轉(zhuǎn)模工段10、20的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、成角度的真空輸送器30、40以及層壓工段50有利的是通過機(jī)械或更通常是通過電子傳動(dòng)而傳動(dòng)連接或同步在一起。用于推進(jìn)環(huán)狀多孔皮帶120的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)模60的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連接，以使環(huán)狀多孔皮帶120的表面線速度可等于或大于轉(zhuǎn)模60的表面線速度。較大的速度使輸送器能在工件100從轉(zhuǎn)模60出來時(shí)將諸工件100間隔開，以能切割工件100而沒有插入其間的刮傷，但會帶有插入其間的空白邊緣。
用于推進(jìn)環(huán)狀多孔皮帶120的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以與驅(qū)動(dòng)第一和第二層壓輥180、190的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連接在一起，以使第一和第二層壓輥180、190的表面線速度等于或大于環(huán)狀多孔皮帶120的表面線速度。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，在形成一層壓輥隙的層壓工段50中的層壓輥180、190之間拖動(dòng)諸如聚合物電解液膜材料卷材之類的一膜110。在轉(zhuǎn)動(dòng)工段10、20處沖切層壓材料的第一和第二卷材以形成工件100。層壓材料的第一和第二卷材可以是相同或者不同的。層壓材料的第一和第二卷材可以是包括一襯墊層和一第一催化劑層的催化劑貼花紙材料，或者是包括一流體運(yùn)輸層和一第一催化劑層的電極材料。切割好的工件100可由真空輸送器30和40運(yùn)輸?shù)綄訅汗ざ?0，并同時(shí)進(jìn)給到在膜110兩側(cè)上的層壓輥180和190之間的層壓輥隙中，以形成一層壓物。有利的是，工件100在它們從第一或第二層壓材料卷材上完全分離之前，在低于大氣壓的壓力的作用下被保持至真空輸送器30和40。有利的是，工件100在它們從真空輸送器30和40釋放之前，通過層壓輥180和190之間的層壓輥隙被夾持住。
可重復(fù)地進(jìn)行層壓，以形成連結(jié)類似層壓物的膜的連續(xù)卷材。
當(dāng)膜110是聚合物電解液膜(如上所述)、并且工件100是催化劑貼花紙(如上所述)時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的方法和設(shè)備可用來產(chǎn)生包括多個(gè)膜電極組件的連續(xù)膜，且所有這些膜電極組件都包括精確配準(zhǔn)的、第一和第二帶有圖案的催化劑層節(jié)段。第一和第二帶有圖案的催化劑層節(jié)段的周界可為除了平行四邊形之外的形狀。典型的沖切形狀帶有圓角，并可附加地形成許多任意周界形狀中的任意一種。第一和第二帶有圖案的催化劑層節(jié)段可具有相同或者不同的催化劑成分。
當(dāng)膜110是聚合物電解液膜(如上所述)、并且工件100是包括一流體運(yùn)輸層和一共同延伸的催化劑層催化劑貼花紙的電極(如上所述)時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的方法和設(shè)備可用于產(chǎn)生包括多個(gè)膜電極組件的連續(xù)膜，且所有這些膜電極組件都包括精確配準(zhǔn)的、第一和第二帶有圖案的催化劑層節(jié)段。第一和第二帶有圖案的催化劑層節(jié)段的周界可為除了平行四邊形之外的形狀。典型的沖切形狀帶有圓角，并可附加地形成許多任意周界形狀中的任意一種。第一和第二帶有圖案的催化劑層節(jié)段可具有相同或者不同的催化劑成分。
對于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的那些人來說，本發(fā)明的各種變型和替代方式將是顯而易見的，它們不超出本發(fā)明的保護(hù)范圍和原理。同時(shí)，應(yīng)予理解的是，不應(yīng)該不適當(dāng)?shù)貙⒈景l(fā)明局限于上面所列出的說明性實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種沖切催化劑貼花紙，該貼花紙包括一襯墊層和一共同延伸的催化劑層，所述催化劑層包括顆粒催化劑金屬，其中，所述貼花紙的周界呈除了平行四邊形之外的形狀。
2.一種沖切電極，該電極包括一流體運(yùn)輸層和一共同延伸的催化劑層，所述催化劑層包括顆粒催化劑金屬，其中，所述電極的周界呈除了平行四邊形之外的形狀。
3.一種制作如權(quán)利要求1所述的沖切催化劑貼花紙的方法，該方法包括沖切催化劑貼花紙材料的一卷材，所述卷材包括一襯墊層和一催化劑層。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述沖切步驟包括旋轉(zhuǎn)沖切。
5.一種制作如權(quán)利要求2所述的沖切電極的方法，該方法包括沖切電極材料的一卷材，所述卷材包括一流體運(yùn)輸層和一催化劑層。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述沖切步驟包括旋轉(zhuǎn)沖切。
7.一種包括多個(gè)膜電極組件的膜，所述膜包括具有一第一和第二表面的一聚合物電解液膜；多個(gè)第一帶有圖案的催化劑層節(jié)段，它們層壓在所述膜的所述第一表面上，且使相鄰的帶有圖案的催化劑層節(jié)段彼此不接觸；以及多個(gè)第二帶有圖案的催化劑層節(jié)段，它們層壓在所述膜的所述第二表面上，且使相鄰的帶有圖案的催化劑層節(jié)段彼此不接觸；其中，各所述第一帶有圖案的催化劑層節(jié)段有一周界，各所述第二帶有圖案的催化劑層節(jié)段具有與一相對的第一帶有圖案的催化劑層節(jié)段的周界精確地配準(zhǔn)的一周界。
8.一種包括多個(gè)膜電極組件的連續(xù)卷材，所述卷材包括具有一第一和第二表面的一聚合物電解液膜；多個(gè)第一帶有圖案的催化劑層節(jié)段，它們層壓在所述膜的所述第一表面上，且使相鄰的帶有圖案的催化劑層節(jié)段彼此不接觸；以及多個(gè)第二帶有圖案的催化劑層節(jié)段，它們層壓在所述膜的所述第二表面上，且使相鄰的帶有圖案的催化劑層節(jié)段彼此不接觸；其中，各所述第一和第二帶有圖案的催化劑層節(jié)段的周界呈除了平行四邊形之外的形狀。
9.如權(quán)利要求7所述的連續(xù)卷材，其特征在于，各所述第一和第二帶有圖案的催化劑層的周界呈除了平行四邊形之外的形狀。
10.如權(quán)利要求7所述的連續(xù)卷材，其特征在于，所述第一催化劑層節(jié)段具有一第一催化劑成分，所述第二催化劑層節(jié)段具有與所述第一催化劑成分不同的一第二催化劑成分。
11.如權(quán)利要求8所述的連續(xù)卷材，其特征在于，所述第一催化劑層節(jié)段具有一第一催化劑成分，所述第二催化劑層節(jié)段具有與所述第一催化劑成分不同的一第二催化劑成分。
12.如權(quán)利要求9所述的連續(xù)卷材，其特征在于，所述第一催化劑層節(jié)段具有一第一催化劑成分，所述第二催化劑層節(jié)段具有與所述第一催化劑成分不同的一第二催化劑成分。
13.一種包括多個(gè)膜電極組件的膜，所述膜包括具有一第一和第二表面的一聚合物電解液膜；多個(gè)第一帶有圖案的電極層節(jié)段，它們層壓在所述膜的所述第一表面上，且使相鄰的帶有圖案的電極層節(jié)段彼此不接觸，各第一帶有圖案的電極節(jié)段包括一流體運(yùn)輸層和一第一催化劑的共同延伸層；以及多個(gè)第二帶有圖案的電極層節(jié)段，它們層壓在所述膜的所述第二表面上，且使相鄰的帶有圖案的催化劑層節(jié)段彼此不接觸，各第二帶有圖案的電極節(jié)段包括一流體運(yùn)輸層和一第二催化劑的共同延伸層；其中，各所述第一帶有圖案的電極層節(jié)段有一周界，各所述第二帶有圖案的電極層節(jié)段具有與一相對的第一帶有圖案的電極層節(jié)段的周界精確地配準(zhǔn)的一周界。
14.一種包括多個(gè)膜電極組件的膜，所述膜包括具有一第一和第二表面的一聚合物電解液膜；多個(gè)第一帶有圖案的電極層節(jié)段，它們層壓在所述膜的所述第一表面上，且使相鄰的帶有圖案的電極層節(jié)段彼此不接觸，各第一帶有圖案的電極節(jié)段包括一流體運(yùn)輸層和一第一催化劑的共同延伸層；以及多個(gè)第二帶有圖案的電極層節(jié)段，它們層壓在所述膜的所述第二表面上，且使相鄰的帶有圖案的催化劑層節(jié)段彼此不接觸，各第二帶有圖案的電極節(jié)段包括一流體運(yùn)輸層和一第二催化劑的共同延伸層；其中，各所述第一和第二帶有圖案的電極層節(jié)段的周界呈除了平行四邊形之外的形狀。
15.如權(quán)利要求13所述的連續(xù)卷材，其特征在于，各所述第一和第二帶有圖案的電極層的周界呈除了平行四邊形之外的形狀。
16.如權(quán)利要求13所述的連續(xù)卷材，其特征在于，所述第一催化劑具有一第一催化劑成分，所述第二催化劑具有與所述第一催化劑成分不同的一第二催化劑成分。
17.如權(quán)利要求14所述的連續(xù)卷材，其特征在于，所述第一催化劑具有一第一催化劑成分，所述第二催化劑具有與所述第一催化劑成分不同的一第二催化劑成分。
18.如權(quán)利要求15所述的連續(xù)卷材，其特征在于，所述第一催化劑具有一第一催化劑成分，所述第二催化劑具有與所述第一催化劑成分不同的一第二催化劑成分。
19.一種用于制作膜電極組件的方法，該方法包括以下步驟1)提供一聚合物電解液膜材料的卷材；2)提供一層壓工段，其中，在形成一層壓輥隙的一對層壓輥之間拖動(dòng)聚合物電解液膜材料的所述卷材；3)沖切第一催化劑貼花紙材料的一第一卷材，所述卷材包括一襯墊層和一第一催化劑層，以制成一第一催化劑貼花紙；4)沖切第二催化劑貼花紙材料的一第二卷材，所述卷材包括一襯墊層和一第一催化劑層，以制成一第二催化劑貼花紙；5)將所述第一催化劑貼花紙運(yùn)輸?shù)剿鰧訅汗ざ危?)將所述第二催化劑貼花紙運(yùn)輸?shù)剿鰧訅汗ざ危?)將所述第一催化劑貼花紙進(jìn)給到與聚合物電解液膜材料的所述卷材相鄰的所述層壓輥隙中；8)與所述第一催化劑貼花紙同時(shí)地將所述第二催化劑貼花紙進(jìn)給到與聚合物電解液膜材料的所述卷材相鄰的所述層壓輥隙中；9)層壓所述第一催化劑貼花紙、聚合物電解液膜材料的所述卷材以及所述第二催化劑貼花紙，以形成一層壓物。
20.一種制作如權(quán)利要求7所述的連續(xù)卷材的方法，包括權(quán)利要求19所述的方法，此外，還包括以下步驟10)重復(fù)步驟1)-9)。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟11)在完成步驟3)之前，通過低于大氣壓的壓力的作用將所述第一催化劑貼花紙保持至一真空輸送器的環(huán)狀多孔皮帶；以及12)在從所述真空輸送器的所述環(huán)狀多孔皮帶釋放所述第一催化劑貼花紙之前開始步驟7)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟13)在完成步驟4)之前，通過低于大氣壓的壓力的作用將所述第二催化劑貼花紙保持至一真空輸送器的環(huán)狀多孔皮帶；以及14)在從所述真空輸送器的所述環(huán)狀多孔皮帶釋放所述第二催化劑貼花紙之前開始步驟8)。
23.一種用于制作膜電極組件的方法，該方法包括以下步驟1)提供一聚合物電解液膜材料的卷材；2)提供一層壓工段，其中，在形成一層壓輥隙的一對層壓輥之間拖動(dòng)聚合物電解液膜材料的所述卷材；3)沖切第一電極材料的一第一卷材，所述卷材包括一流體運(yùn)輸層和一第一催化劑層，以制成一第一電極；4)沖切第二電極材料的一第二卷材，所述卷材包括一流體運(yùn)輸層和一第二催化劑層，以制成一第二電極；5)將所述第一電極運(yùn)輸?shù)剿鰧訅汗ざ危?)將所述第二電極運(yùn)輸?shù)剿鰧訅汗ざ危?)將所述第一電極進(jìn)給到與聚合物電解液膜材料的所述卷材相鄰的所述層壓輥隙中；8)與所述第一電極同時(shí)地將所述第二電極進(jìn)給到與聚合物電解液膜材料的所述卷材相鄰的所述層壓輥隙中；9)層壓所述第一電極、聚合物電解液膜材料的所述卷材以及所述第二電極，以形成一層壓物。
24.一種制作如權(quán)利要求13所述的連續(xù)卷材的方法，包括權(quán)利要求23所述的方法，此外，還包括以下步驟10)重復(fù)步驟1)-9)。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟11)在完成步驟3)之前，通過低于大氣壓的壓力的作用將所述第一電極保持至一真空輸送器的環(huán)狀多孔皮帶；以及12)在從所述真空輸送器的所述環(huán)狀多孔皮帶釋放所述第一電極之前開始步驟7)。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟13)在完成步驟4)之前，通過低于大氣壓的壓力的作用將所述第二電極保持至一真空輸送器的環(huán)狀多孔皮帶；以及14)在從所述真空輸送器的所述環(huán)狀多孔皮帶釋放所述第二電極之前開始步驟8)。
27.一種用于制作膜電極組件的設(shè)備，該設(shè)備包括1)一層壓工段；2)一第一和第二真空輸送器；以及3)一第一和第二轉(zhuǎn)模工段。
28.如權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一真空輸送器和所述第一轉(zhuǎn)模工段布置成，當(dāng)所述第一真空輸送器和所述第一轉(zhuǎn)模工段兩者都工作時(shí)，所述第一轉(zhuǎn)模工段中從工件材料的一第一卷材上切割下來的一工件的顯露部分將在所述工件從工件材料的所述第一卷材完全分離之前就成為被所述第一真空輸送器保持住。
29.如權(quán)利要求28所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一真空輸送器和所述層壓工段布置成，當(dāng)所述第一真空輸送器和所述層壓工段兩者都工作時(shí)，在所述工件被所述第一真空輸送器完全釋放之前，就將所述工件拖入所述層壓工段的一層壓輥隙。
30.如權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一真空輸送器包括具有一表面線速度的一第一環(huán)狀多孔皮帶和與之功能上連接的一第一真空輸送器驅(qū)動(dòng)裝置；其中，所述第一轉(zhuǎn)模工段包括具有一表面線速度的一第一轉(zhuǎn)模和與之功能上連接的一第一轉(zhuǎn)模工作驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；其中，所述第一真空輸送器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和所述第一轉(zhuǎn)模工段驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連接在一起，以使所述第一環(huán)狀多孔皮帶的表面線速度比所述第一轉(zhuǎn)模的表面線速度大。
31.如權(quán)利要求30所述的設(shè)備，其特征在于，所述層壓工段包括具有一共同的表面線速度的第一和第二層壓輥和與之功能上連接的一層壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；其中，所述第一真空輸送器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和所述層壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連接在一起，以使所述第一多孔皮帶的表面線速度與所述第一和第二層壓輥的表面線速度相等。
32.如權(quán)利要求31所述的設(shè)備，其特征在于，所述第二真空輸送器和所述第二轉(zhuǎn)模工段布置成，當(dāng)所述第二真空輸送器和所述第二轉(zhuǎn)模工段兩者都工作時(shí)，所述第二轉(zhuǎn)模工段中從工件材料的一第二卷材上切割下來的一工件的顯露部分將在所述工件從工件材料的所述第二卷材完全分離之前，就成為被所述第二真空輸送器保持住。
33.如權(quán)利要求32所述的設(shè)備，其特征在于，所述第二真空輸送器和所述層壓工段布置成，當(dāng)所述第二真空輸送器和所述層壓工段兩者都工作時(shí)，在所述工件被所述第二真空輸送器完全釋放之前，就將所述工件拖入所述層壓工段的一層壓輥隙。
34.如權(quán)利要求33所述的設(shè)備，其特征在于，所述第二真空輸送器包括具有一表面線速度的一第二環(huán)狀多孔皮帶和與之功能上連接的一第二真空輸送器驅(qū)動(dòng)裝置；其中，所述第二轉(zhuǎn)模工段包括具有一表面線速度的一第二轉(zhuǎn)模和與之功能上連接的一第二轉(zhuǎn)模工段驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；其中，所述第二真空輸送器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和所述第二轉(zhuǎn)模工段驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連接在一起，以使所述第二環(huán)狀多孔皮帶的表面線速度比所述第二轉(zhuǎn)模的表面線速度大。
35.如權(quán)利要求34所述的設(shè)備，其特征在于，所述第二真空輸送器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和所述層壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連接在一起，以使所述第二多孔皮帶的表面線速度與所述第一和第二層壓輥的表面線速度相等。
36.一種用于制作膜電極組件的設(shè)備，該設(shè)備包括1)一層壓工段；2)一第一和第二主動(dòng)抓持的輸送器；以及3)一第一和第二轉(zhuǎn)模工段。
37.如權(quán)利要求36所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一主動(dòng)抓持的輸送器和所述第一轉(zhuǎn)模工段布置成，當(dāng)所述第一主動(dòng)抓持的輸送器和所述第一轉(zhuǎn)模工段兩者都工作時(shí)，所述第一轉(zhuǎn)模工段中從工件材料的一第一卷材上切割下來的一工件的顯露部分將在所述工件從工件材料的所述第一卷材完全分離之前就成為被所述第一主動(dòng)抓持的輸送器保持住。
38.如權(quán)利要求37所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一主動(dòng)抓持的輸送器和所述層壓工段布置成，當(dāng)所述第一主動(dòng)抓持的輸送器和所述層壓工段兩者都工作時(shí)，在所述工件被所述第一主動(dòng)抓持的輸送器完全釋放之前，就將所述工件拖入所述層壓工段的一層壓輥隙。
全文摘要
本發(fā)明提供用于制造聚合物電解液膜燃料電池的部件和設(shè)備，以及用于通過旋轉(zhuǎn)沖切和通過層壓各種層來形成膜電極組件以制造它們的自動(dòng)化方法。提供一種用于制作膜電極組件的方法以及執(zhí)行該方法的設(shè)備，該方法包括以下步驟提供一聚合物電解液膜材料(110)的卷材和一層壓工段(50)，在該層壓工段中，在形成一層壓輥隙的層壓工段中的一對層壓輥(180，190)之間拖動(dòng)聚合物電解液膜材料(110)的卷材；沖切催化劑貼花紙材料或電極材料的一第一和第二卷材，以在第一和第二轉(zhuǎn)模工段(10，20)處制成第一和第二工件(100)，所述工件的形狀通常是呈除了平行四邊形之外的形狀；通常是在沖切的工件(100)從第一和第二卷材完全切割下來之前、通過低于大氣壓的壓力的作用來將它們保持至第一和第二真空輸送器的一環(huán)狀多孔皮帶(120)；將第一和第二工件(100)運(yùn)輸?shù)綄訅汗ざ沃械哪?110)的相對側(cè)；通常是在第一和第二工件(100)被第一和第二真空輸送器(30，40)完全釋放之前、將第一和第二工件(100)同時(shí)進(jìn)給到與膜相鄰的層壓輥隙中；以及，有利的是以精確配準(zhǔn)的狀態(tài)將第一和第二工件層壓到膜上。
文檔編號H01M8/10GK1656640SQ03812213
公開日2005年8月17日 申請日期2003年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月3日
發(fā)明者S·A·里普里, D·I·西爾斯, W·F·巴德爾 申請人:3M創(chuàng)新有限公司