CN110100340A - 用于制造燃料电池的膜-电极组件的方法以及生产线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造燃料电池的膜‑电极组件的方法，所述燃料电池的膜‑电极组件包括膜、两个加强件、两个密封件、气体扩散层以及催化剂，所述方法包括以下步骤：利用丝网印刷将密封件施加至每一个加强件上的步骤；将承载已进行丝网印刷的密封件的加强件热粘合到膜的每个面的步骤；将催化剂化学元素施加到两个气体扩散层上的步骤；将已进行催化的气体扩散层热粘合到承载加强件和密封件的膜的每个面的步骤；所述方法使得在所述方法的至少一部分步骤中通过抽吸将各种元件保持在支撑件上。本发明还涉及相应的装配线。

Description

用于制造燃料电池的膜-电极组件的方法以及生产线

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，更具体地，涉及燃料电池的制造和组装领域。

背景技术

燃料电池能够通过基于燃料(通常为氢气)与助燃剂(通常为氧气)的电化学反应来产生电能。

固体电解质质子交换膜型的燃料电池(PEMFC)通常包括板状的单元电池堆(其形成电化学发生器)，每个电池由双极板与相邻电池分开。每个电池包括由离子交换膜(其例如以全氟化含硫聚合物材料制造)形式的固体电解质分开的阳极元件和阴极元件。

包括阴极元件、阳极元件和固体电解质的该组件形成膜-电极组件，其也称为MEA。根据一个常见形式的实施方案，每个双极板在一侧提供对与该侧相邻的电池的燃料供应，在另一侧提供对与该另一侧相邻的电池的助燃剂供应，该双极板所提供的供应是并行进行的。气体扩散层(其例如由碳布制造)安装在MEA的两侧，以提供经由双极板供应的反应气体的电传导和均匀摄入。

本发明旨在提出一种用于制造燃料电池的膜-电极组件的方法。

发明内容

因此，本发明涉及一种用于制造燃料电池的膜-电极组件的方法，所述燃料电池的膜-电极组件包括膜、两个加强件、两个密封件、气体扩散层以及催化剂，所述方法包括以下步骤：

-利用丝网印刷将密封件施加到每一个加强件上的步骤；

-将承载已进行丝网印刷的密封件的加强件热粘合到膜的每个面的步骤；

-将催化剂化学元素施加到两个气体扩散层上的步骤；

-将气体扩散层热粘合到承载加强件和密封件的膜的每个面的步骤；

所述方法使得在所述方法的至少一部分步骤中通过抽吸将各种元件保持在支撑件上。

这里要强调的是，在说明书的其余部分中，为了简化描述，可以用术语“催化剂”代替术语“催化剂化学元素”。优选地，所述催化剂化学元素是包含铂、水和溶剂的墨。

因为催化这些气体扩散层的方法比将催化剂施加到离子交换膜更容易，所以利用气体扩散层是有利的。具体地，扩散层具有吸附催化剂的趋势，使得该方法更稳定。此外，气体扩散层在力学上也更稳定。

此外，仅在一个面上对气体扩散层进行催化。结果，在不良沉积的情况下，仅损失一个气体扩散层。在对膜进行催化的情况下，将催化剂施加到两个层，从而增加不良催化的风险，因此增加不得不丢弃相对昂贵的离子交换膜的风险。

在一个实施方案中，将催化剂化学元素施加到扩散层上的步骤利用包括在包含以下方法的组中的直接沉积方法来执行：柔性版印刷，丝网印刷和涂布。

通常施加含有溶剂的墨的形式的催化剂。在对已进行催化的扩散层进行处理之前，等待溶剂完成蒸发是有益的。如果希望缩短该等待时间，在一个优选的实施方案中，可以提供催化剂干燥步骤。

同样地，在优选的实施方案中，通过丝网印刷施加密封件的步骤包括聚合和干燥密封件的步骤。

在又一个实施方案中，通过丝网印刷施加密封件的步骤包括检查密封件质量的步骤。该步骤可以由检查密封件几何形状的HD摄像机来执行，或者通过在三个维度上测量密封件的几何形状的激光读取器来执行。该步骤可以通过在加强件+密封件组件上标注序列号和/或标识号的步骤来进一步补充，该标注例如通过喷墨或通过激光或点阵打印来执行。

在本发明的一个实施方案中，以包含在100℃至150℃之间的温度进行热粘合步骤，更优选地，以包含在100℃至120℃之间的温度进行该热粘合步骤。

本发明还涉及一种用于制造膜-电极组件的生产线，其包括能够使托架从一个制造工位移动到另一个制造工位的回路，在所述托架上安装有由多孔金属段构成的模具，每个工位能够实现上述方法的一个或另一个步骤。

附图说明

通过以下对优选的而非限制性的实施方案的描述，本发明的其它目的和优点将变得更加清楚，实施方案由以下附图示出，在附图中：

图1示意性地示出实现根据本发明的制造方法的、用于组装燃料电池的方法的所有步骤；

图2示出能够在根据本发明的方法中实现的丝网印刷方法；

图3示出能够在根据本发明的方法中实现的柔性版印刷方法；

图4示出能够在根据本发明的方法中实现的装配线。

具体实施方式

图1示出根据本发明的方法的步骤。该方法示意性地分为三个主要部分：

-A部分，其对应于通过丝网印刷将密封件施加到加强件上，

-B部分，其对应于膜的制备和切割以及膜在加强件之间的整合，

-C部分，其对应于气体扩散层的制备以及燃料电池的最终组装。这些部分中的每一个部分由多个步骤组成，将详细描述这些步骤。在图1中，用象形图表示每个步骤，该象形图表示实现该步骤所需的硬件装置。

通过丝网印刷将密封件施加到加强件：用于燃料电池的加强件是聚合物薄膜，该聚合物薄膜通常以卷的形式交付。因此，步骤P1A和步骤P1B分别对应于展开两个加强件(上加强件(P1A)和下加强件(P1B))的步骤。这些加强件的卷在一个面上带有可再活化的粘合剂进行交付。

一旦这些加强件已被展开，就分别在步骤P21和P2B中对这些加强件进行切割。通过激光或通过冲压实现的切割能够形成加强件的内部形状。具体地，加强元件有意稍后定位，使得该加强元件将膜的边缘夹在加强元件的整个周边，同时保持膜的中心部分未覆盖。

步骤P3A和P3B对应于通过丝网印刷将密封件施加到上加强件和下加强件。

在通过丝网印刷施加密封件之后，设置聚合和干燥密封件的步骤P4。在一个具体实施方案中，将密封件定位在滑架上，该滑架以1.5米/分钟的速度移动通过长度为4米的通道，该通道的内部温度保持在110℃至150℃之间。

然后，在步骤P5中检查每个“加强件+密封件”组件的质量。例如，通过高清摄像机或激光读取器来执行该质量控制检查。然后，准备将“加强件+密封件”组件施加到已进行催化的膜上，如以下段落中所述。

膜的制备和切割及其在加强件之间的整合：

所述膜通常是在两个夹层之间以卷的形式进行交付的聚合物薄膜。因此，有利地，该方法包括步骤P6，在该步骤中，将所述膜展开并且与两个夹层分开。

然后，在步骤P7中，使用切割器将膜切割为对应于所需的单元电池堆的尺寸。在这个切割步骤中，通过利用吸盘进行抽吸或通过烧结铝支撑件将膜保持在原位。需要强调的是，该切割步骤包括在宽度上进行切割和在长度上进行切割。在一个示例性实施方案中，可以在移除夹层之前对膜的条带在宽度上进行切割并随后在长度上进行切割。

然后，在步骤P8中，将来自A部分的第一“加强件+密封件”组件粘合到膜的上表面。然后，以例如包括在100℃至150℃(优选地，100℃至120℃)之间的温度进行热粘合。

接下来，在步骤P10中，将第二“加强件+密封件”组件粘合到膜的下表面。该粘合在与步骤P8相同的条件下进行。然后，在步骤P11中，使用例如高清摄像机来检查膜+加强件+密封件组件的质量。

有利地，步骤P8和P10是同时进行的，从而对两个加强件一起进行按压。

气体扩散层的制备以及最终组装：根据本发明的方法预期会使用已进行催化的气体扩散层。为此目的，步骤P13A和P13B对应于将催化剂施加到两个扩散层。这种催化剂的施加通过丝网印刷、喷涂、柔性版印刷或涂布来进行。在此之前，在步骤P12A和P12B中，展开用于形成气体扩散层的碳布卷。

然后，在步骤P14中切割已进行催化的扩散层，随后将切割后的扩散层覆盖并热粘合在“膜+加强件+密封件”组件的每个面上。以135℃持续4分钟、同时施加约10MPa的压力的条件执行这些扩散层的热压或热粘合步骤。

步骤P16是最终切割步骤，围绕膜-电极组件的外部和燃料电池的气体歧管进行切割。在步骤P17中，去除来自该切割操作的废物，步骤P18对应于加入双极板以及对应于膜-电极组件/双极板的交替堆叠，以在步骤P19获得完成的燃料电池。

丝网印刷和柔性版印刷：

图2示出了这样一种系统，该系统能够实现如在本发明的多个步骤中所使用的丝网印刷方法。该系统包括由PET布21(也称为格栅(treillis))形成的筛网或框架20，其网孔和线材直径可以适用于各种用途。

为了产生待制造的图案，布上涂有称为乳剂的光敏制品，在该光敏制品上施加与待制造的图案相对应的模版。在这种情况下，待制造的图案对应于离子交换膜在安装加强件之后未覆盖的中心部分。

在经过暴露于UV灯之后，除了模版所掩盖的区域之外，光敏制品固化。然后，清除残余物。因此，格栅则包括形成图案的开放网格22和封闭网格23。

一旦制造出这种框架或筛网，就可以通过丝网印刷进行催化剂施加。为此，将待催化的元件24以待催化的面朝上的方式安装在支撑件25上。需要强调的是，如果元件24是气体扩散层，那么在微孔层上施加催化剂。然后，将筛网20定位在支撑件25上、元件24上方。然后，将足量的催化剂26施加到框架上，并且均匀地铺展在图案上，但不要过于强烈地向下按压，以避免造成催化剂穿过格栅。这个操作被称为“精磨(le nappage)”。

然后，由其硬度和刚度能够适用的聚氨酯或金属型材所形成的刮刀27以接近45°的可变角度通过型材的整个长度。这里强调的是，框架20安装在支撑件25的稍上方，以避免在刮刀通过之前两者之间进行接触。

然后，刮刀27将迫使格栅21变形，使格栅21与支撑件25进行接触。然后，迫使催化剂在刮刀经过时通过格栅并且沉积在元件24上。

刮刀还能够从筛网表面刮掉多余的催化剂，然后该筛网准备进行第二次施加。

图3示出了以图案形式来实现该沉积的另一种方法，即柔性版印刷方法，也称为“印台(tampon encreur)”方法。图4中所示的系统包括支撑辊30，在支撑辊30上安装待催化的元件31。所述系统还包括着墨辊32，待施加的图案通过厚度余量形成在着墨辊32上。该系统另外包括辊33，辊33用于在浸入槽34中之后，清除存在于着墨辊没有形成图案的部分上的墨。

因此，在支撑辊30与着墨辊32之间进行接触时，在着墨辊32上的设计的图案被转移到元件31上。

装配线：图4示出了能够在根据本发明的方法中实现的装配线的一个示例。该装配线包括能够使托架移动的回路100，托架上安装有多孔金属模具200，该多孔金属模具200将作为本方法的各种组装步骤中的支撑件。在图4中，详细描述特定的工位，而仅示意性地示出其他工位。

多孔金属的使用意味着真空泵(未在图中示出)可以在模具下方连接，以使各种元件能够保持在模具上的适当位置。

在装配线的入口处(在位置0处)，模具容纳两个“加强件+密封件”组件(其例如来自图1的步骤P6)。在下文中，为了简化描述，将这些组件简称为“加强件”。

工位1是用于处理膜300的工位。因此，承载加强件和密封件的模具其本身定位在工位1下方，并且在两个加强件的其中一个上接受膜。该工位还允许对膜进行“剥离”，这意味着当以卷的形式运输膜时，膜与包围该膜的夹层或多个夹层或分开。在工位3处，再次封闭模具，从而定位第二加强件。工位4允许在优选处于100℃和120℃之间的温度下进行热压。当在工位中存在模具并且以顶部抵靠挡板时，通过安装在模具下方的致动缸的垂直推力来执行挤压动作。

然后，该装配线包括以下工位：

-在工位5处，能够冷却加强件+膜组件，

-在工位6处，将气体扩散层施加到膜的第一面上，并再次封闭模具。这里强调的是，在某些情况下，气体扩散层包括粘合带。该粘合带经由粘合剂施加装置施加，在这种情况下，装配线包括装备有吸盘或静电夹具的机器人，以将气体扩散层从粘合剂施加装置运送到装配线。

-在工位7处，将组件进行翻转，使得膜的第二面成为上表面；通过结合模具的每个板的抽吸指令简单地打开模具来执行这种翻转。具体地，当组件保持附接到保持抽吸的板上时，如果打开模具，已经切断抽吸的板不会带走任何元件。优选地，还将使用模具上的夹具以更安全地将各种元件定位在模具上。

-在工位8处，将气体扩散层施加到膜的第二面上，并再次封闭模具，

-在工位9处，使用类似于工位4的装置对组件进行热压。然而，必须强调的是，该热压步骤是可选的，

-在工位10处，打开模具，并且可以使用喷墨、激光打印或点阵打印将序列号或识别号打印到组件上。

-最后，在工位11处，将MEA恢复以进行对应于图1中的步骤P17的最终切割步骤。

所有这些操作都在灰尘、温度和湿度方面受控的环境中进行，以避免组件的劣化。此外，如前所述，在每个工位处、在模具的板上产生真空，以对各种元件如何附接到模具进行管理。在一个优选实施方案中，模具装备有应急储存器，以缓解当模具在两个工位之间转移时可能发生的任何轻微泄漏的影响。

Claims (7)

1.一种用于制造燃料电池的膜-电极组件的方法，所述燃料电池的膜-电极组件包括膜、两个加强件、两个密封件、气体扩散层以及催化剂，所述方法包括以下步骤：

-利用丝网印刷将密封件施加到每一个加强件上的步骤；

-将承载已进行丝网印刷的密封件的加强件热粘合到所述膜的每个面的步骤；

-将催化剂化学元素施加到两个气体扩散层上的步骤；

-将已进行催化的气体扩散层热粘合到承载加强件和密封件的膜的每个面的步骤；

所述方法使得在所述方法的至少一部分步骤中通过抽吸将各种元件保持在支撑件上。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，将催化剂化学元素施加到气体扩散层上的步骤利用包括在包含以下方法的组中的直接沉积方法来执行：柔性版印刷，丝网印刷和涂布。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其中，施加催化剂化学元素的步骤进一步包括对催化剂进行干燥的步骤。

4.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，通过丝网印刷施加密封件的步骤包括对密封件进行干燥的步骤。

5.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，通过丝网印刷施加密封件的步骤包括检查密封件质量的步骤。

6.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，热粘合步骤优选地以包含在100℃至150℃之间的温度进行。

7.一种用于制造膜-电极组件的生产线，其包括能够使托架从一个制造工位移动到另一个制造工位的回路(100)，所述托架上安装有由多孔金属段构成的模具200，每个工位能够实现根据权利要求1至6中任一项所述的方法的一个或另一个步骤。