CN101558522B - 组装燃料电池周边衬垫的处理方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种以卷绕法制备燃料电池组件的方法和装置。在各自包括粘合剂的第一和第二衬垫幅材上切出间隔开的孔。将所述第一和第二衬垫幅材传送到输送装置的粘合工位。将包括至少一片电解质膜的膜幅材也传送到所述粘合工位。在所述粘合工位，通过将所述第一和第二衬垫幅材附接到所述膜幅材来形成带衬垫的膜幅材。所述第一衬垫幅材通过所述第一衬垫幅材的粘合剂层附接到所述膜幅材的第一表面。所述第二衬垫幅材通过所述第二衬垫幅材的粘合剂层附接到所述膜幅材的第二表面。

Description

组装燃料电池周边衬垫的处理方法和系统
技术领域
本发明整体涉及用于自动制造包括周边衬垫的多层燃料电池子组件的方法和装置。 
背景技术
典型的燃料电池电源系统包括电源部分，所述电源部分中提供一个或多个燃料电池组。燃料电池电源系统的功效主要取决于单个燃料电池内以及电池组相邻燃料电池之间的各种接触和密封接合的完整性。 
为了达到一些具体实施所需的功率，燃料电池组可包括大量膜电极组件(MEA)、流场板和密封衬垫。必须仔细对齐和组装燃料电池组的这些以及其他组件。即使只有少数组件未对齐，也可导致气体泄漏、氢发生极间渗透(crossover)以及性能/耐久性恶化。 
传统的燃料电池组装方法通常涉及切割若干输入幅材组件，以批量操作的方式形成此类材料的层叠件。然后使用各种机械和真空装置调控组件，以在燃料电池组装过程中正确定位组件。 
尽管可自动执行这些过程中的多个，但此类方法通常涉及由复杂、耗时并且通常昂贵的自动化设备执行的许多抓握、配准和对齐步骤。与传统燃料电池制造方法相关的处理步骤的数目和复杂性通常会降低产品产量，给自动化燃料电池组装线的生产率带来不利影响。此外，许多传统燃料电池制造装置和方法不能很好地适应高的自动化程度，尤其是当此类装置和方法有严格定位公差要求时。 
需要提供改善的燃料电池制造装置、方法以及利用此类装置和方法制备的燃料电池子组件。还需要提供可在自动化组装环境中(例如在自动化燃料电池组装厂中)实施的此类装置、方法和燃料电池子组件。本发明即满足这些以及其他需求，并且可解决先前方法中的其他缺陷。 
发明内容
本发明的实施例涉及燃料电池制造方法、设备和燃料电池子组件。多个实施例举例说明了成卷的多层燃料电池子组件的自动化制造过程，这些子组件包括成卷的带衬垫的电解质膜、带衬垫的催化剂涂覆膜(CCM)和/或带衬垫的膜电极组件(MEA)。 
本发明的一个实施例涉及通过卷绕法制备燃料电池组件的方法。在包括粘合剂层的第一和第二衬垫幅材上切出间隔开的孔。第一和第二衬垫幅材被传送到传输装置上的粘合工位。包括至少一片电解质膜的膜幅材也被传送到粘合工位。在粘合工位中，通过将第一和第二衬垫幅材附接到膜幅材来形成带衬垫的膜幅材。第一衬垫幅材通过第一衬垫幅材的粘合剂层附接到膜幅材的第一表面。第二衬垫幅材通过第二衬垫幅材的粘合剂层附接到膜幅材的第二表面。 
传送第一和第二衬垫幅材的第一和第二传输装置中的一个或两个可包括(例如)真空传输装置、辊或载体幅材。粘合工位可以包括一对或多对圆柱形粘合辊。 
在一些具体实施中，第一和第二衬垫幅材基本上同时附接到膜幅材。在其他具体实施中，第一衬垫幅材先附接到膜幅材，之后第二衬垫幅材再附接到膜。可以在将第一和第二衬垫幅材附接到膜幅材上之前或之后，在膜幅材上设置催化剂层。 
根据一种构造，电解质膜是催化剂涂覆的电解质膜(CCM)，并且 第一和第二衬垫幅材附接到CCM。 
其他方法可能涉及将气体扩散层附接到带衬垫的膜幅材的活性区域上。在一些具体实施中，第一气体扩散层设置在第一衬垫层的孔内，第二气体扩散层设置在第二衬垫层的孔内。在其他具体实施中，气体扩散层可以重叠第一和/或第二衬垫层。气体扩散层可以包括催化剂层。 
在一些构造中，第一和/或第二衬垫幅材的粘合剂可以具有粘合剂衬片，可在粘合工位将第一和第二衬垫幅材附接到膜幅材之前移除粘合剂衬片。 
在一些构造中，电解质膜和/或催化剂受到“限制”，使得电解质膜或催化剂不会一直延伸到第一和第二衬垫幅材的边缘。在一个具体实施中，电解质膜和/或催化剂在幅材横向方向上受到限制。 
根据本发明的一个方面，第一和/或第二衬垫层的粘合剂可以包括压敏粘合剂。可以使用室温下工作的粘合辊，通过第一和/或第二衬垫层的压敏粘合剂，将第一和/或第二衬垫幅材附接到膜幅材。 
根据本发明的另一个方面，第一和/或第二衬垫层的粘合剂包括热活化粘合剂。可以使用受热粘合辊，通过第一和/或第二衬垫层的热活化粘合剂，将第一和/或第二衬垫幅材附接到膜幅材。 
根据本发明的又一个方面，第一和/或第二衬垫层的粘合剂包括紫外线固化粘合剂。可以通过第一和/或第二衬垫层的紫外线固化粘合剂将第一和/或第二衬垫幅材附接到膜幅材。 
本发明的另一个实施例涉及用于制备燃料电池组件的装置。第一切割工位在第一衬垫幅材上切出间隔开的孔。第一衬垫幅材包括具有粘合剂的第一衬垫层。第二切割工位在第二衬垫幅材上切出间隔开的 孔。第二衬垫幅材包括具有粘合剂的第二衬垫层。传送机构传送并支承第一衬垫幅材、第二衬垫幅材以及包括至少一片电解质膜的膜幅材。在粘合工位中，第一衬垫幅材、第二衬垫幅材和膜幅材通过传送机构集合在一起。粘合工位被构造为可通过第一和第二衬垫幅材的粘合剂将第一衬垫幅材和第二衬垫幅材分别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辊，该粘合辊被构造为将第一衬垫幅材附接到膜幅材的第一表面，并且基本上同时将第二衬垫幅材附接到膜幅材的第二表面。又如，第一粘合辊用于将第一衬垫幅材附接到膜幅材的第一表面，第二粘合辊用于将第二衬垫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剂涂层。 
装置还可以包括这样的机构，其被构造为用于附接膜幅材的暴露活性区域上的气体扩散层。膜幅材的暴露活性区域由第一和第二衬垫层构成。气体扩散层可以包括催化剂层。 
所述装置还可以包括这样的机构，其被构造为用于在粘合工位将第一衬垫幅材、第二衬垫幅材和膜幅材集合到一起之前，移除第一和第二衬垫层中每一个的粘合剂的粘合剂衬片。例如，该机构可以包括剥离棒或惰轮。 
根据一些具体实施，在可剥离的粘合剂载体幅材上传送第一衬垫幅材、第二衬垫幅材和膜幅材中的至少一个。切割工位可以包括例如圆模切机、激光切割机或模压机。 
在各种构造中，第一衬垫幅材可以具有与第二衬垫幅材不同的厚度，和/或可以包含与第二衬垫幅材不同的材料。 
本发明的又一个实施例涉及燃料电池子组件。子组件包括具有第 一和第二表面的膜，膜幅材的第一表面上设置有第一催化剂层，膜的第二表面上设置有第二催化剂层。第一衬垫包括衬垫层和粘合剂，并通过第一衬垫的粘合剂附接到膜的第一表面。第一衬垫上的一个或多个孔露出第一催化剂层的一个或多个活性区域。第二衬垫包括衬垫层和粘合剂，并通过第二衬垫的粘合剂附接到膜的第二表面。第二衬垫上的一个或多个孔露出第二催化剂层的一个或多个活性区域。 
在一种构造中，第一和/或第二衬垫可以分别重叠第一和第二催化剂层。在一种构造中，可以在第一催化剂层的一个或多个活性区域上设置一个或多个第一气体扩散层，并且所述一个或多个第一气体扩散层可以重叠第一衬垫的至少一部分。可以在第二催化剂层的一个或多个活性区域上设置一个或多个第二气体扩散层，并且所述一个或多个第二气体扩散层可以重叠第二衬垫的至少一部分。 
在另一种构造中，可以在第一衬垫孔内的第一催化剂层的一个或多个活性区域上设置一个或多个第一气体扩散层。可以在第二衬垫孔内的第二催化剂层的一个或多个活性区域上设置一个或多个第二气体扩散层。 
衬垫层可以通过各自的粘合剂附接在一起。 
膜幅材可以或可以不在幅材横向方向上延伸至第一和第二衬垫幅材的外边缘。第一和/或催化剂层可以或可以不在所有方向上延伸至第一和/或第二衬垫的边缘。 
本发明的另一个实施例涉及用卷绕法制备半带衬垫的膜幅材的方法。在衬垫幅材上切出间隔开的孔，该衬垫幅材包括具有粘合剂的衬垫层。将具有间隔开的孔的衬垫幅材传送到粘合工位。将膜传送到粘合工位，该膜可以包括或可以不包括连续的催化剂层或成图案的催化剂区域。在粘合工位，衬垫幅材通过衬垫层的粘合剂粘合到膜幅材的 表面。 
以上发明内容并非旨在描述本发明的每个实施例或本发明的每种实施方式。结合附图参阅下文的具体实施方式以及所附权利要求书，将可明了和认识到本发明的优点和成效，并且可更完整地理解本发明。 
附图说明
图1示出了典型的燃料电池及其基本操作； 
图2A和2B分别是根据本发明一个实施例的带衬垫的催化剂涂覆膜(CCM)的剖视图和平面图； 
图3A和3B分别是根据一个实施例的带衬垫的CCM幅材的剖视图和平面图； 
图4为根据本发明的一个实施例以幅材横向取向示出的带衬垫的CCM的剖视图，该CCM具有受限制的电解质膜； 
图5A为根据本发明的一个实施例的膜电极组件(MEA)的剖视图，该膜电极组件包括形成为成卷的带衬垫的CCM和气体扩散层(GDL)； 
图5B为根据本发明的一个实施例的MEA的剖视图，该MEA包括形成为成卷的带衬垫的电解质膜和其上设置有催化剂层的GDL； 
图6A为示意图，示出了根据本发明的实施例制备半带衬垫的膜幅材的方法； 
图6B为示意图，示出了根据本发明的实施例制备带衬垫的膜幅材和/或带衬垫的MEA幅材的方法； 
图7示出了根据本发明的一个实施例，通过同时将第一和第二衬垫幅材粘合到膜幅材以制备成卷的带衬垫膜幅材的装置； 
图8示出了根据本发明的实施例，通过按顺序将第一衬垫幅材和第二衬垫幅材粘合到膜幅材以制备成卷的带衬垫膜幅材的装置；以及 
图9示出了根据本发明的实施例用于制备带衬垫的MEA幅材的装置。 
虽然本发明可具有多种修改形式和替代形式，其具体细节已在图 中以举例的方式示出，并将详尽描述。然而，应当理解，其目的不在于将本发明局限于所述具体实施例。相反，其目的在于涵盖由所附权利要求书限定的本发明范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。 
具体实施方式
在图示实施例的以下描述中，参考作为文中一部分的附图并且其中以举例说明的方式示出本发明可以实施的各种实施例。应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以利用这些实施例，并可以进行结构上的修改。 
本发明的实施例涉及燃料电池子组件以及用于构造燃料电池子组件的方法和装置。在多个实施例中，带衬垫的电解质膜幅材形成为卷状。卷状的带衬垫膜幅材可以随后用于制备卷状的膜电极组件(MEA)，膜电极组件继而可以与流场板以及其他组件结合制成完整的燃料电池。 
燃料电池是使氢燃料与空气中的氧气结合以生成电、热和水的电化学装置。燃料电池不利用燃烧，因此，燃料电池几乎不会生成(如果有的话)危险的流出物。燃料电池将氢燃料和氧气直接转换为电能，并且其工作效率比例如内燃发电机高得多。 
由本文所述各个实施例示出的带衬垫的膜和MEA幅材在制备聚合物电解质膜(PEM)燃料电池方面尤其有用。图1中示出了典型的燃料电池构造。图1中所示的燃料电池110包括与第一气体扩散层(GDL)114相邻的第一流场板112。GDL 114与催化剂涂覆膜(CCM)120相邻。第二GDL 118位于与CCM 120相邻处，第二流场板119位于与第二GDL 118相邻处。 
在操作中，将氢燃料引入燃料电池110的阳极部分，从而越过第一流场板112并通过GDL 114。在GDL 114与CCM 120的接合处，在 催化剂层115的表面上，氢燃料分离为氢离子(H+)和电子(e-)。 
CCM 120的电解质膜116仅允许氢离子或质子和水通过电解质膜116，以到达燃料电池110的阴极催化剂层113。电子不能通过电解质膜116，而是以电流的形式流过外部电路。此电流可为电负载117(例如电动马达)提供电力或者被引入能量存储装置(例如可充电电池)。 
氧气经由第二流场板119在燃料电池110的阴极侧流过第二GDL118。在阴极催化剂层113的表面上，氧气、质子和电子结合以生成水和热。 
单个燃料电池，例如如图1中所示，可与多个其他燃料电池结合以形成燃料电池组。燃料电池组中燃料电池的数目决定燃料电池组的总电压，并且每个电池的表面积决定总电流。给定燃料电池组产生的总电量可通过将电池组总电压乘以总电流来确定。 
燃料电池组由多个电极、板和衬垫构成。衬垫通常围绕电解质膜活性区域的周边部署。催化剂可以设置在膜的表面上、GDL上，或者可以部分设置在GDL上以及部分设置在膜上。衬垫可以设置在电解质膜的一个或两个表面上，和/或设置在GDL的一个或两个表面上，和/或设置在面向GDL的流场板的一个或两个表面上。通过根据本文所述的制造方法使用粘合剂将衬垫附接到电解质膜，允许以卷绕法制备燃料电池组件，并可准确地放置和连接衬垫。 
根据本发明的实施例，燃料电池(例如图1中所示的燃料电池110)制造过程中使用的成卷幅材可以利用成卷输入材料(如燃料电池组件的幅材)制备为成卷输出幅材。例如，可使用连续组装方法制备成卷的带衬垫电解质膜幅材、成卷的带衬垫CCM幅材和/或成卷的带衬垫MEA幅材，该方法对成卷输入幅材材料进行处理以制备成卷输出幅材。 
可使用合适的衬片材料缠绕输出燃料电池幅材以形成卷状。在另一个方法中，可在后续步骤中将燃料电池幅材转变为单个MEA。在一些方法中，可将GDL粘合到带衬垫的成卷膜幅材，从而以连续方式生产MEA幅材。 
图2A和2B分别提供了根据一个实施例的单个带衬垫的催化剂涂覆膜(CCM)200的剖视图和平面图，该催化剂涂覆膜可形成为成卷幅材。带衬垫的CCM 200包括CCM 210，其具有电解质膜211以及设置在膜211上的第一和第二催化剂层221、222。第一和第二衬垫230、240布置在CCM 210的表面上。在图2B中可以很好地看出，衬垫230在CCM 210的一个表面上形成了围绕活性区域205的框。每个衬垫230、240包括衬垫层231、241和粘合剂层232、242，例如压敏粘合剂层、热活化粘合剂层或紫外线活化粘合剂层。衬垫230、240通过粘合剂层232、242附接到CCM。 
衬垫层231、232可以包含各类聚合物材料，例如聚酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和/或其他类似材料，包括足够薄、强度足够并且与燃料电池环境(即在存在水、氢和/或氧气的情况下温度为60-120℃)足够兼容的刚性聚合物材料。在一个例子中，衬垫材料的厚度大于约0.0125mm，并具有厚度为约0.00625至约0.05mm的粘合剂层。在一个实施例中，衬垫材料为厚度为约0.1mm的聚酯。衬垫材料可以包括微结构化的弹性体肋，例如通过加热来固化的高度为约0.25mm的乙烯丙烯双烯单体(EPDM)弹性体肋。第一和第二衬垫层不需要具有相同的特性。可以选择衬垫层的特性，以有利于组件的处理或燃料电池的操作。例如，在某些实施例中，第一衬垫层230可以具有与第二衬垫层240不同的厚度，和/或第一衬垫层230可以包含一种或多种与第二衬垫层240中那些材料不同的材料。 
选择衬垫层231、241和粘合剂层232、242的材料，使得粘合剂 层232、242良好地粘合到衬垫层231、241和CCM 210。粘合剂层232、242可以包括压敏粘合剂(PSA)、热活化粘合剂、紫外线活化粘合剂或其他类型的粘合剂。例如，粘合剂层可以包含以下任何物质：丙烯酸树脂PSA、橡胶基粘合剂、乙烯马来酸酐共聚物、烯烃粘合剂(例如1-辛烯与乙烯或丙烯的共聚物)、腈基粘合剂、环氧基粘合剂以及氨基甲酸乙酯基粘合剂。在其他实施例中，粘合剂层可以包括热活化粘合剂，例如Thermobond 845(聚乙烯马来酸盐基)和Thermobond 583(丁腈橡胶基)。 
可以用卷绕法将图2A和2B中所示的带衬垫CCM 200制备为包括多个单独的带衬垫CCM的幅材。图3A和3B分别示出了带衬垫CCM幅材300的剖视图和平视图，可以将该CCM幅材切割以形成多个单独的带衬垫CCM，例如图2A和2B中所示的带衬垫CCM。图3A示出了包括连续膜311的连续CCM幅材，该连续膜上设置有连续的催化剂层321、322。在其他实施例中，膜幅材可以没有催化剂，或可以包括成图案的催化剂区域而不是连续的催化剂层。 
图3A中带衬垫的CCM幅材300包括构成连续CCM幅材300的活性区域305的衬垫层331、341。衬垫层331、341通过粘合剂层332、342附接到CCM幅材310。 
可以用卷绕法制备图3A和3B中所示的带衬垫的CCM幅材。例如，在一个实施例中，带衬垫CCM幅材的制造过程包括将衬垫幅材(包括衬垫和粘合剂层)送入切割工位，在此在衬垫层上切出一系列活性区域孔，从而形成衬垫幅材。切割工位可以包括例如圆模切机、激光切割机或固定模。将梯状衬垫幅材传送到粘合工位，在此与CCM幅材以及位于CCM幅材相对侧上的另一个梯状衬垫幅材集合在一起。通过在需要切割时启动切割工位的切孔机以及在切割之间使它们停止或变慢，来实现幅材的定时。在所有工位都会用到速度匹配。梯状衬垫幅材的粘合剂层可以包括隔离衬片。如果包括隔离衬片，则将其移除， 例如剥离掉，然后梯状衬垫幅材通过衬垫幅材的粘合剂层在粘合工位粘合到CCM幅材的表面。真空皮带传输装置可以用于固定梯状衬垫幅材，以防止受到移除衬片时剥离力的影响。可以使用剥离棒和/或惰轮以促进剥离速度。 
本发明的各个实施例致力于在不变形的情况下处理强度较差的衬垫幅材。例如，衬垫幅材可以传输到真空皮带或凸形表面(例如辊)上的粘合工位，或由另一个幅材(例如一次性带材)来支承，或设置在载体幅材(例如可剥离的粘合剂载体幅材)上。 
燃料电池中采用的电解质膜通常包含昂贵的离聚物。衬垫材料成本通常低得多。如果在平面图中观察，典型的带衬垫CCM的衬垫区域，即围绕周边的区域，覆盖了CCM的可测量部分，从而防止CCM的被覆盖区域成为燃料电池活性区域的一部分。虽然现有电极设计通常使用与整个带衬垫区域共延的膜，但也可以通过从衬垫所覆盖部分移除膜来节省膜材料。在幅材横向方向上受限的电解质膜幅材或CCM膜幅材不会在幅材横向方向上延伸至衬垫层的边缘。 
图4以幅材横向方向示出了带衬垫的CCM幅材400的剖视图。可在图4中看出，电解质膜幅材411在幅材横向方向上受到限制或得以节省，因此没有完全延伸至衬垫层431、441的边缘。在该具体实施中，粘合剂层432、442粘附到CCM幅材411并且彼此粘附以形成密封。CCM幅材411在顺维方向上应保持完好，以保持幅材形式。在幅材横向方向上限制CCM幅材411的优点包括膜成本降低以及取消了歧管区域中的膜，该膜有时会由于湿度变化而带来问题。 
图5A示出了根据一个实施例的膜电极组件(MEA)500，该膜电极组件具有带衬垫的CCM 512和附连的GDL 550。当添加GDL 550以制备MEA 500时，GDL 550会与提供膜边缘保护的带衬垫CCM 512的衬垫层531、541的一部分重叠。在一些实施例中，在如本文所述形成带 衬垫的CCM幅材之后，可以用连续和/或卷绕法将GDL 550附接到带衬垫的CCM。 
图5B示出了采用催化剂涂覆的GDL 551的MEA 501，催化剂涂覆的GDL被称为催化剂涂覆的背衬(即CCB)。在该实施例中，GDL551包括催化剂层514、515，并且设置在衬垫层531、541的孔内。粘合剂层532、542粘附到膜520并且彼此粘附以形成密封。如本文更为详细的描述，可以用卷绕法将GDL附接到膜幅材以形成输出MEA幅材。 
在本发明的操作中，可以使用任何适用的电解质膜。可用的PEM厚度范围在约200μm至约15μm之间。四氟乙烯(TFE)共聚物和符合化学式FSO2-CF2-CF2-O-CF(CF3)-CF2-O-CF＝CF2的共聚单体是已知的，并且由DuPont Chemical Company(Wilmington，Delaware)以商品名 采用磺酸形式(即FSO2-端基水解为HSO3-)销售。 常用于制备燃料电池中使用的聚合物电解质膜。四氟乙烯(TFE)共聚物和符合化学式FSO2-CF2-CF2-O-CF＝CF2的共聚单体也是已知的，并且以磺酸形式(即FSO2-端基水解为HSO3-)用于制备燃料电池中使用的聚合物电解质膜。最优选的是四氟乙烯(TFE)和FSO2-CF2CF2CF2CF2-O-CF＝CF2(FSO2-端基水解为HSO3-)的共聚物。在共同拥有的美国专利申请S/N 11/225,690(提交于2005年9月13日)中描述了适用于PEM构造的其他材料，该专利申请以引用的方式并入本文。 
在一些实施例中，催化剂层可以包含通过湿化学法(例如氯铂酸还原)包被到较大碳粒上的铂或铂合金。此形式的催化剂通过离子粘合剂和/或溶剂分散以形成油墨、糊剂，或者形成施加到膜、隔离衬片或GDL的分散体。 
在一些实施例中，催化剂层可以包括催化剂材料的纳米结构化支 承元件承载粒子或纳米结构化薄膜(NSTF)。纳米结构化催化剂层不包含作为支承体的碳粒子，因此可以渗入电解质膜的极薄表层中，形成致密分布的催化剂粒子。采用纳米结构化薄膜(NSTF)催化剂层可实现比分散法形成的催化剂层高得多的催化剂利用率，并且在由于缺少碳支承体而造成的高电位和高温下可提供更好的耐腐蚀性。在一些具体实施中，通过使用具有微结构化结构的电解质膜可以进一步增大CCM的催化剂表面积。在以下共同拥有的专利文档中描述了制备微结构化电解质膜和NSTF催化剂层的各种方法，这些专利文档均以引用的方式并入本文：美国专利4,812352、5,879,827、6,136,412以及美国专利申请S/N 11/225,690(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催化剂层包含细长的纳米级粒子，可以通过将催化剂材料真空沉积到针状纳米结构化支承体上来形成所述纳米级粒子。适用于本发明的纳米结构化支承体可以包含有机颜料晶须，例如C.I.颜料红149(C.I.PIGMENT RED 149)(苝红)。晶体晶须具有基本上均匀但不相同的横截面以及较大的长宽比。纳米结构化支承晶须涂覆有适用于催化作用的涂层材料，赋予晶须能够用作多个催化剂位点的精细纳米级表面结构。 
在某些具体实施中，纳米结构化支承元件可以贯穿连续的螺旋位错生长。延长纳米结构化支承元件可增大用于催化作用的表面积。在此前并入本文的美国专利申请S/N 11/225,690中描述了用于延长纳米结构化支承元件的方法。此外，或作为另外一种选择，也可提供多层纳米结构化支承元件以用于增大表面积。在此前并入本文的美国专利申请S/N 11/224,879中描述了制备多层纳米结构化支承元件的方法。 
用催化剂材料涂覆纳米结构支承元件，以形成纳米结构化薄膜催化剂层。根据一个具体实施，催化剂材料包含金属，例如铂族金属。在一个实施例中，可以将催化剂涂覆的纳米结构化支承元件传送到电 解质膜的表面，以形成催化剂涂覆的膜。在另一个实施例中，可以在GDL表面上形成催化剂涂覆的纳米结构化支承元件。 
GDL可为能够从电极收集电流、同时允许反应物气体通过的任何材料，通常为织造或非织造的碳纤维纸或布。GDL为气体反应物和水蒸汽提供了多孔通道以接触催化剂和膜，并且还收集在催化剂层中产生的电流以为外部负载供电。 
GDL可以包括微孔层(MPL)和电极背衬层(EBL)，其中MPL设置在催化剂层与EBL之间。EBL可以是任何合适的导电多孔基底，例如碳纤维构造(如织造和非织造碳纤维构造)。可商购获得的碳纤维构造的例子包括以商品名“AvCarb P50”得自Ballard Material Products(Lowell，MA)的碳纤维纸；以商品名“Toray”得自ElectroChem，Inc.(Woburn，MA)的碳纸；以商品名“SpectraCarb”得自Spectracorp(Lawrence，MA)的碳纸；以商品名“AFN”得自Hollingsworth & VoseCompany(East Walpole，MA)的非织造碳布；以及以商品名“Zoltek”得自Zoltek Companies，Inc.(St.Louis，MO)的碳布。还可以对EBL进行处理以增加或赋予疏水特性。例如，可以使用高度氟化的聚合物来处理EBL，例如聚四氟乙烯(PTFE)和氟化乙烯丙烯(FEP)。 
所述EBL的碳纤维构造通常具有粗糙多孔的表面，其显示与催化剂层之间具有较低的粘合附着力。为增大粘合附着力，可以将微孔层包被到EBL的表面。如此使EBL的粗糙多孔表面变得平滑，从而增大与一些类型的催化剂层之间的粘合附着力。 
本发明的实施例涉及用于制备成卷半带衬垫或全带衬垫的电解质膜幅材、CCM幅材和/或MEA幅材的方法。图6A为示意图，示出了根据本发明实施例的可以用于制备半带衬垫的膜幅材的方法。该方法涉及在衬垫幅材上切出间隔开的孔(615)，然后将所得的衬垫幅材传送到粘合工位(625)。衬垫幅材包括衬垫层和粘合剂层，粘合剂层可以可 选地包括隔离衬片。可从退绕轮或另一个源传送衬垫幅材。切出孔之后，所得衬垫幅材类似于梯状结构，可以通过制造过程的各部分在真空传输装置或其他支承机构上支承和传送该结构。 
将膜幅材传送到粘合工位，该膜幅材可以是具有连续或成图案催化剂层的CCM幅材(635)。在粘合工位，衬垫幅材和膜幅材集合在一起。如果膜幅材包括成图案的催化剂区域，则可实现衬垫幅材与膜幅材之间的配准。在粘合工位，通过例如一次或多次暴露在热、压力和紫外线中，将衬垫幅材和膜幅材粘合到一起(645)。 
图6B为流程示意图，示出了根据本发明实施例可以用于制备带衬垫的膜和/或MEA幅材的方法。该方法涉及在制造过程中移动各种材料幅材。该方法涉及在第一衬垫幅材上切出间隔开的孔(610)，然后将所得的第一衬垫幅材传送到粘合工位(620)。在第二衬垫幅材上切出孔(630)，然后将所得的第二衬垫幅材传送到粘合工位(640)。第一和第二衬垫幅材中的每一个均包括衬垫层和粘合剂层，粘合剂层可以可选地包括隔离衬片。可从退绕轮或另一个源传送第一和第二衬垫幅材。切出孔之后，所得衬垫幅材类似于梯状结构，可以通过制造过程的各部分在真空传送装置或其他支承机构上支承和传送该结构。 
在粘合工位，第一衬垫幅材、第二衬垫幅材以及膜幅材集合在一起。对齐第一和第二衬垫幅材以及膜幅材。可以控制第一衬垫幅材与第二衬垫幅材之间的配准，使得第一和第二衬垫幅材的孔在膜幅材的第一和第二表面上彼此对齐。 
如果使用了隔离衬片，则在衬垫幅材进入粘合工位之前将其移除。第一衬垫幅材和第二衬垫幅材分别通过衬垫幅材的粘合剂层附接到膜幅材的第一和第二表面(650)。在一个实施例中，通过使全部三个幅材经过同一对粘合辊，使第一和第二梯状衬垫幅材的附接基本上同时进行。在另一个实施例中，第一和第二衬垫幅材按顺序附接到膜幅材。 在一些实施例中，膜幅材包括CCM幅材，该CCM幅材的催化剂设置在膜幅材表面上或在膜幅材的区域中成图案。如果使用成图案的CCM幅材，成图案的区域会与第一和第二衬垫幅材的孔对齐。所得带衬垫的膜幅材或CCM幅材可以卷起并存储起来供将来使用，或者可以在后续制造过程中立即使用以制备MEA幅材和/或其他燃料电池子组件。 
如在图6的流程图中进一步示出，可以使用带衬垫的膜幅材形成MEA幅材，方法是在由衬垫层上的孔露出的膜幅材区域中附接GDL或CCB(660)。在一个具体实施中，GDL或CCB可以设置在膜幅材两个表面上的衬垫层的孔内。在另一个具体实施中，GDL或CCB可以在衬垫层的内边缘重叠衬垫层。 
图7示出了用于处理燃料电池材料输入幅材以及制备成卷带衬垫CCM的装置。一般来讲，图7的装置可使用成卷衬垫幅材以及成卷电解质膜幅材或CCM幅材来制备成卷的带衬垫膜幅材。图7的装置提供了独特的方法来制备带衬垫的膜幅材，该膜幅材可以分离为多个单独的带衬垫膜或带衬垫CCM，或者可以用于后续的卷绕过程以制备燃料电池组件。 
在图7示出的实施例中，带衬垫的膜幅材的制造过程包括从第一退绕轮705送入未切割的第一衬垫幅材715(包括衬垫层、粘合剂层和粘合剂隔离衬片)，并且使其通过第一切割工位725。切割工位725在衬垫幅材715上切出一系列活性区域孔701，形成梯状的第一衬垫幅材735。移除第一衬垫幅材735的隔离衬片757。使用剥离棒745或惰轮有利于移除隔离衬片757，并且隔离衬片757卷绕在第一废料轮755上。 
从第二退绕轮706传送未切割的第二衬垫幅材716，并将其送入第二切割工位726。第二切割工位726在第二衬垫幅材716上切出一系列活性区域孔702，形成梯状的第二衬垫幅材736。移除第二衬垫幅材736的隔离衬片758。使用剥离棒746或惰轮有利于移除隔离衬片758，并 且隔离衬片758卷绕在第二废料轮756上。切割工位725、726可以包括例如圆模切机或激光切割机。 
在图7所示的实施例中，切割工位725、726包括真空模切机727、728。在真空模切机727、728中形成真空，以从衬垫幅材735、736移除切孔废屑783、793。当孔废屑783、793的前缘相对切割表面旋转约225°时移除真空。移除真空会将孔废屑783、793释放到托盘782、792或释放到真空废料处理充气室。弹簧蓄能器780、790可以用于抓住废屑783、793，从而在释放真空时，废屑783、793通过与模具727、728摩擦而被推压进托盘782、792或充气室。 
移除隔离衬片757、758之后，第一和第二衬垫幅材735、736被传送到粘合工位，在本例中，粘合工位包括圆柱形粘合辊760。在某些实施例中，如图7所示，衬垫幅材735、736被传送到真空传输装置765、766的粘合辊760上。从膜退绕轮707上传送膜幅材717，然后将其传送到粘合辊760。 
本领域内的技术人员将会知道，可采用若干技术和构造以便于使用光学传感器或其他类型感测装置进行对齐。传感器781、791用于检测孔切口的前缘。由传感器781、791(如反光激光传感器)感测的偏差和对位标记用于对齐左侧衬垫阶梯735和右侧衬垫阶梯736。如果膜幅材717包括成图案的催化剂区域718，可以使用传感器797(例如光束光纤传感器)来检测催化剂区域的前缘。控制系统使用传感器797的输出并结合来自传感器781或791的信息，以使催化剂区域718与衬垫幅材735和736对齐。传感器778可以感测到基准标记799，以便于对齐735、736、717这三个幅材。 
控制系统可以使用来自传感器(例如传感器781、791、797)的信息，来控制速度以及第一衬垫幅材735、第二衬垫幅材736和膜幅材717中的一个或多个的纵向位置。对幅材735、736、717的定时有利于 对齐，可以通过在需要进行切割时启动切割工位725、726的切孔机727、728以及在切割之间使它们停止或减慢来实现这一点。在切孔期间，使切割工位725、726与粘合辊760的速度相匹配可保持衬垫幅材735、736上的孔尺寸一致。 
对齐之后，衬垫幅材735、736在粘合辊760处与膜幅材717集合在一起。衬垫幅材735、736通过粘合辊760通过衬垫幅材735、736的粘合剂层基本上同时粘合到膜幅材717的相应第一和第二表面，以形成带衬垫的膜幅材770。 
在一些实施例中，衬垫幅材735、736的粘合剂层包含压敏粘合剂。在这些实施例中，可以通过由在室温下工作的粘合辊760施加压力来实现衬垫幅材735、736的附接。在其他实施例中，衬垫幅材735、736的粘合剂层包含热活化粘合剂，且粘合辊760被加热，以有利于将衬垫幅材735、736附接到膜幅材717。在其他实施例中，粘合剂包括紫外线活化粘合剂。如果使用紫外线活化粘合剂，可通过暴露在紫外线中来有利于粘合，紫外线来自可以位于粘合辊760旁边的光源。可以使用或不使用粘合剂隔离衬片。 
在一些具体实施中，带衬垫的膜幅材770卷绕在卷绕轮上，以进行存储和/或稍后在后续处理中使用。在其他具体实施中，带衬垫的膜幅材770被传送到另一处理阶段，例如用于形成结合有带衬垫的膜幅材770的MEA幅材的处理阶段。 
图8示出了一种制造装置，其中第一衬垫幅材835和可选的第二衬垫幅材836粘合到膜幅材。在一个过程中，可以通过将第一衬垫幅材 835粘合到膜817来形成半带衬垫的膜。在此过程中，第二衬垫幅材836未粘合到膜817。半带衬垫的膜可以用于需要更薄幅材的应用中。 
可任选地，第二衬垫幅材836可以附接到膜817，以形成如下所述 的全带衬垫的膜幅材。如果形成了全带衬垫的膜幅材，第一和第二衬垫幅材835、836可以在随后粘合到膜幅材817。例如，如图8所示，附接了第一衬垫幅材835之后，第二衬垫幅材836才附接到膜幅材817。 
带衬垫的膜幅材871的制造过程包括从第一退绕轮805送入未切割的第一衬垫幅材815并使其通过第一切割工位825，所述未切割的第一衬垫幅材815包括衬垫层、粘合剂层以及粘合剂隔离衬片。如上文结合图7所述，切割工位825可以包括真空模切机827，其可使用弹簧蓄能器880捡取孔废屑883并将废屑放在托盘882中。切割工位825在衬垫幅材815上切出一系列活性区域孔801，从而形成梯状的第一衬垫幅材835。移除第一衬垫幅材835的隔离衬片857。使用剥离棒845或惰轮有利于移除隔离衬片857，并且隔离衬片857卷绕在第一废料轮855上。 
移除第一衬垫幅材835的隔离衬片857后会露出第一衬垫幅材835的粘合剂层。在真空传输装置或其他传送机构865上将第一衬垫幅材835传送到粘合工位，在本例中，粘合工位包括圆柱形粘合辊860。从膜退绕轮807上传送膜幅材817，然后将其传送到粘合辊860。 
如上文结合图7所述，控制系统可以使用采集自一个或多个传感器的信息来对齐第一衬垫幅材835，以便于在与催化剂区域818适当对齐的膜幅材817上进行布置。对齐之后，第一衬垫幅材835在粘合辊860处与膜幅材817集合在一起。衬垫幅材835通过粘合辊860通过第一衬垫幅材835的暴露粘合剂层粘合到膜幅材817的第一表面，以形成局部带衬垫的膜幅材870。 
从第二退绕轮806传送未切割的第二衬垫幅材816，并将其送入第二切割工位826。第二切割工位826使用真空模切机828在第二衬垫幅材816上切出一系列活性区域孔802，形成梯状的第二衬垫幅材836。真空模切机828通过使用弹簧蓄能器890捡取孔废屑893，并将废屑放 在托盘892中。 
移除第二衬垫幅材836的隔离衬片858。通过剥离棒846或惰轮有利于移除隔离衬片858，并且隔离衬片858卷绕在第二废料轮856上。切割工位825、826可以包括例如圆模切机或激光器切割机。 
移除第二衬垫幅材836的隔离衬片858后会露出第二衬垫幅材836的粘合剂层。在真空传输装置或其他传送机构866上将第二衬垫幅材836传送到粘合工位，在本例中，粘合工位包括圆柱形粘合辊861。将局部带衬垫的膜幅材870传送到粘合辊861。 
在粘合之前，可以使用来自一个或多个传感器的信息来对齐第二衬垫幅材836，以便于放置在膜幅材870上。第二衬垫幅材836可以相对于设置在局部带衬垫的膜幅材870上的第一衬垫幅材835对齐。例如，可以使用传感器898感测到的基准标记899，以便于对齐835、836、817这三个幅材。 
在一些具体实施中，全带衬垫的膜幅材871卷绕在卷绕轮上，以进行存储和/或稍后在后续处理中使用。在其他具体实施中，带衬垫的膜幅材871被传送到另一处理阶段，例如用于形成结合有带衬垫的膜幅材871的MEA幅材的处理阶段，如图9所示。 
图9示出了被构造用于制备具有带衬垫的膜幅材的成卷MEA幅材的装置。从退绕轮903或直接从前一工序传送带衬垫的膜幅材，例如带衬垫的CCM幅材950。从退绕轮901或从前一工序传送设置在载体幅材920上的第一GDL 921。将第一GDL 921和CCM幅材950传送到粘合辊922，其中第一GDL 921相对于CCM幅材950的衬垫层中的孔951对齐。将第一GDL 921粘合到带衬垫的膜幅材950的第一表面。例如，可使第一GDL 921对齐以便放置在带衬垫的CCM幅材950的孔951内，或者可使第一GDL 921对齐以使得第一GDL 921与衬垫略 微重叠。 
从退绕轮902或从前一工序传送设置在载体幅材930上的第二GDL 931。从退绕轮902或从前一工序传送设置在载体幅材930上的第二GDL 931。将第二GDL 931和CCM幅材952传送到粘合辊932，其中第二GDL 931相对于CCM幅材952衬垫层中的孔951对齐。将第二GDL 931粘合到带衬垫膜幅材952的第二表面，以形成成卷的MEA幅材953。如果GDL与衬垫重叠，可以使用热和压力或者使用沉积在GDL或CCM或衬垫的至少一部分上的粘合剂层，将GDL附接到幅材，其中粘合剂层可以包含得自3M Company快粘系列(Fastbond series)中的粘合剂或离聚物。在一些具体实施中，第一和第二GDL可以在一个或多个边缘处贴合在带衬垫CCM幅材950的孔951内，并且可以在一个或多个边缘处与衬垫重叠。 
上述对本发明的多个实施例的具体描述的目的是为了举例说明和描述。并非意图穷举本发明或将本发明局限于所公开的精确形式。可以按照上述教导内容进行多种修改和变化。例如，结合附图所述的多种旋转粘合方法可使用非旋转方法和装置来替代实现，例如通过使用本领域熟知的步进和重复压缩方法和装置。本发明的范围不受所述具体实施方式的限定，而仅受所附权利要求书的限定。 

Claims (13)

1.一种以卷绕法制备燃料电池组件的方法，包括：
在第一衬垫幅材上切出间隔开的孔，所述第一衬垫幅材包括具有粘合剂的第一衬垫层；
将具有间隔开的孔的所述第一衬垫幅材传送到粘合工位；
在第二衬垫幅材上切出间隔开的孔，所述第二衬垫幅材包括具有粘合剂的第二衬垫层；
将具有间隔开的孔的所述第二衬垫幅材传送到所述粘合工位；
将包括至少一片电解质膜的膜幅材传送到所述粘合工位；以及
在所述粘合工位形成带衬垫的膜幅材，包括：
通过所述第一衬垫层的粘合剂将所述第一衬垫幅材附接到所述膜幅材的第一表面；以及
通过所述第二衬垫层的粘合剂将所述第二衬垫幅材附接到所述膜幅材的第二表面，
其中将所述第一和第二衬垫幅材附接到所述膜幅材包括：将所述第一和第二衬垫幅材附接到所述膜幅材，使得所述电解质膜不会在幅材横向方向上延伸至所述第一和第二衬垫幅材的边缘，而是在幅材顺维方向上延伸至所述第一和第二衬垫幅材的边缘。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述第一衬垫幅材附接到所述膜幅材的第一表面与将所述第二衬垫幅材附接到所述膜幅材的第二表面基本上同时进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其中先将所述第一衬垫幅材附接到所述膜幅材，然后将所述第二衬垫幅材附接到所述膜幅材。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在将所述第一和第二衬垫幅材附接到所述膜幅材之前或之后在所述膜幅材上设置催化剂层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述电解质膜包括催化剂涂覆的电解质膜；并且
将所述第一和第二衬垫幅材附接到所述膜幅材包括形成带衬垫的催化剂涂覆的膜幅材。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的方法，还包括：
将第一气体扩散层附接到所述带衬垫膜幅材的活性区域上；以及
将第二气体扩散层附接到所述带衬垫膜幅材的活性区域上。
7.根据权利要求6所述的方法，其中：
所述第一气体扩散层设置在所述第一衬垫层的孔内；并且
所述第二气体扩散层设置在所述第二衬垫层的孔内。
8.根据权利要求6所述的方法，其中：
所述第一气体扩散层在所述第一衬垫层的孔处与所述第一衬垫层的内边缘重叠；并且
所述第二气体扩散层在所述第二衬垫层的孔处与所述第二衬垫层的内边缘重叠。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一和第二气体扩散层包括催化剂层。
10.一种制备燃料电池组件的装置，包括：
第一切割工位，所述第一切割工位被构造为在第一衬垫幅材上切出间隔开的孔，所述第一衬垫幅材包括具有粘合剂的第一衬垫层；
第二切割工位，所述第二切割工位被构造为在第二衬垫幅材上切出间隔开的孔，所述第二衬垫幅材包括具有粘合剂的第二衬垫层；
传送机构，所述传送机构被构造为传送和支承所述第一衬垫幅材、所述第二衬垫幅材和包括至少一片电解质膜的膜幅材；以及
粘合工位，在所述粘合工位中所述第一衬垫幅材、所述第二衬垫幅材和所述膜幅材被所述传送机构集合在一起，所述粘合工位被构造为通过所述第一和第二衬垫幅材的粘合剂，分别将所述第一衬垫幅材和所述第二衬垫幅材附接到所述膜幅材的第一和第二表面，
其中将所述第一和第二衬垫幅材附接到所述膜幅材包括：将所述第一和第二衬垫幅材附接到所述膜幅材，使得所述电解质膜不会在幅材横向方向上延伸至所述第一和第二衬垫幅材的边缘，而是在幅材顺维方向上延伸至所述第一和第二衬垫幅材的边缘。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一衬垫层和/或所述第二衬垫层选自聚酯和聚酰亚胺。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一衬垫层和/或所述第二衬垫层选自聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一衬垫层和/或所述第二衬垫层是与燃料电池环境兼容的刚性聚合物材料。
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