CN114641877A - 用于制造膜-电极组件的方法和设备 - Google Patents

Abstract

根据本发明的用于制造膜‑电极组件的方法和设备，通过电解质膜、电极和子衬垫膜的多层堆叠体在不被包括在最终产品中的区域中形成定位孔，然后在定位孔的基础上快速并且准确地形成膜‑电极组件的歧管孔。因此，本发明可以在降低膜‑电极组件的缺陷率的同时提高生产率。

Description

用于制造膜-电极组件的方法和设备

技术领域

本公开涉及一种用于制造膜-电极组件的方法和设备，更具体地，涉及一种用于制造膜-电极组件的方法和设备，其能够快速且准确地形成被配置为传输气体或冷却剂的歧管孔，从而在降低缺陷率的同时提高生产率。

背景技术

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)被配置成利用堆叠有单体电池(其中每个单体电池包括膜-电极组件(MEA)和隔板(也称为双极板))的结构来发电，聚合物电解质膜燃料电池由于其高能量效率和环境友好特性，所以作为能够替代化石燃料的下一代能源而受到关注。

膜-电极组件通常包括阳极(也称为燃料电极)、阴极(也称为空气电极)以及它们之间的聚合物电解质膜。

向阳极供应诸如氢气等燃料时，作为氢氧化反应的结果，在阳极产生氢离子(H+)和电子(e-)。产生的氢离子通过聚合物电解质膜转移到阴极，产生的电子通过外部电路转移到阴极。供应到阴极的氧与氢离子和电子结合，作为还原的结果，生成水。

通常，在聚合物电解质膜的第一表面以及聚合物电解质膜的与第一表面相对第二表面上分别设置具有被配置为使阳极露出的电极窗的第一子衬垫膜和具有被配置为使阴极露出的电极窗的第二子衬垫膜。

第一子衬垫膜和第二子衬垫膜是被配置为(i)防止在燃料电池的运行期间由于聚合物电解质膜的反复的膨胀和收缩引起的对聚合物电解质膜的边缘部的损害，(ii)改善极薄的聚合物电解质膜和/或膜-电极组件的处理，以及(iii)防止氢气和氧气的泄漏。

必须在膜-电极组件中提供被配置为传输氢气/氧气或冷却剂的歧管孔。在下文中，将参照图1详细描述传统的歧管孔形成方法。

首先，第一子衬垫膜14和第二子衬垫膜15分别附接到通过在电解质膜11的第一表面和第二表面上形成第一电极(例如，阳极)12和第二电极(例如，阴极)13而获得的催化剂涂覆膜(CCM)的相对的表面。

第一电极12的中心部分通过形成在第一子衬垫膜14中的第一电极窗14a露出，第二电极13的中心部分通过形成在第二子衬垫膜15中的第二电极窗15a露出。第一电极12和第二电极13的暴露部分是直接有助于发电的有源区域AA。即，第一电极窗14a和第二电极窗15a限定有源区域AA。

由此获得的多层堆叠体沿与最终膜-电极组件的形状和尺寸相对应的第一切割线CL1被切割。此外，多层堆叠体沿与要设置在最终膜-电极组件中的歧管孔的形状和尺寸相对应的第二切割线CL2被切割，以形成歧管孔。

以往，使用视觉传感器测量第一电极12或第二电极13的位置，并且基于此确定第一切割线CL1和第二切割线CL2的位置。用于测量第一电极12或第二电极13的位置的感测点SP是第一电极12和/或第二电极13的至少两个角部。在重叠型结构中，电极的边缘部被子衬垫覆盖，这与通过电极窗露出整个电极的边缘配合型结构不同，在这种重叠型结构中，第一电极12和第二电极13的角部分别被第一子衬垫膜14和第二子衬垫膜15覆盖。然而，由于子衬垫膜通常是无色且透明的，因此角部仍然可以被视觉传感器感测到，因此这些角部可以用作感测点SP。

如图1所示，当第一子衬垫膜14和第二子衬垫膜15附接到CCM时，第一电极窗14a和第二电极窗15a没有与第一电极12和第二电极13准确地对齐的情况会非预期地偶尔发生。

尽管电极窗14a和15a与电极12和13之间存在这种不对准，但如果基于电极12和13的角部的位置确定第一切割线CL1和第二切割线CL2，则由电极窗14a、15a限定的有源区域AA不位于最终产品的中心，有源区域AA与歧管孔之间的距离d1、d2产生差异，从而导致产品缺陷。

此外，在重叠型结构中，使用视觉传感器对第一切割线CL1和第二切割线CL2的定位是在第一子衬垫膜14和第二子衬垫膜15是无色且透明的前提下执行的。如果第一子衬垫膜14和第二子衬垫膜15是有色的或不透明的，则无法感测第一电极12或第二电极13的位置，或者其准确性大幅降低。

此外，使用视觉传感器感测第一电极12或第二电极13的位置、基于其结果确定第一切割线CL1和第二切割线CL2的位置以及切割多层堆叠体的一系列过程仅针对每个单独的多层堆叠体执行，因此在提高膜-电极组件的生产率方面存在限制。

发明内容

技术问题

因此，本公开涉及一种用于制造膜-电极组件的方法和设备，其能够防止由上述相关技术的限制和缺点引起的问题。

本公开的一个目的是提供一种膜-电极组件的制造方法，其能够快速且准确地形成被配置为传输气体或冷却剂的歧管孔，从而在降低缺陷率的同时提高生产率。

本公开的另一个目的是提供一种膜-电极组件的制造设备，该设备能够快速且准确地形成被配置为传输气体或冷却剂的歧管孔，从而在降低缺陷率的同时提高生产率。

除了上述目的之外，本发明的其他特征和优点将在下文进行描述，或者本发明所属领域的技术人员将通过以下描述清楚地理解本发明的其他特征和优点。

技术方案

根据本公开的一个方面，提供一种膜-电极组件的制造方法，包括：第一步骤，制备膜-电极堆叠体，所述膜-电极堆叠体包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的电解质膜、第一表面上的第一电极以及第二表面上的第二电极；第二步骤，制备第一子衬垫膜，所述第一子衬垫膜具有第一中心区域和围绕第一中心区域的第一周边区域；第三步骤，在第一中心区域中形成第一电极窗；第四步骤，在第一周边区域中形成至少两个第一定位孔；第五步骤，制备第二子衬垫膜，所述第二子衬垫膜具有第二中心区域和围绕第二中心区域的第二周边区域；第六步骤，在第二中心区域中形成第二电极窗；第七步骤，在第二周边区域中形成至少两个第二定位孔；第八步骤，将第一子衬垫膜附接到电解质膜的第一表面，使得第一电极的至少一部分通过第一电极窗露出，并且将第二子衬垫膜附接到电解质膜的第二表面，使得第二电极的至少一部分通过第二电极窗露出，从而形成多层堆叠体；第九步骤，在多层堆叠体的与第一中心区域和第二中心区域相对应的中心部分中形成至少一个歧管孔；以及第十步骤，去除多层堆叠体的与第一周边区域和第二周边区域相对应的周边部分。

可以基于第一定位孔和第二定位孔的位置来执行形成至少一个歧管孔的第九步骤和去除多层堆叠体的周边部分的第十步骤。

可以通过冲压多层堆叠体来执行形成至少一个歧管孔的第九步骤和去除多层堆叠体的周边部分的第十步骤。

该方法还可以包括在形成至少一个歧管孔的第九步骤和去除多层堆叠体的周边部分的第十步骤之前固定多层堆叠体的步骤。

可以通过将定位销插入第一定位孔和第二定位孔中来执行固定多层堆叠体的步骤。

可以重复第一步骤至第八步骤以获得多个多层堆叠体，可以通过将定位销插入多层堆叠体的第一定位孔和第二定位孔中来将多层堆叠体固定在一起，并且可以通过将多层堆叠体一起冲压来执行第九步骤和第十步骤。

将多层堆叠体固定在一起的步骤可以包括将多层堆叠体堆叠在支撑板上的步骤以及将其上堆叠有多层堆叠体的支撑板安装在具有定位销的模具上的同时将定位销插入多层堆叠体的第一定位孔和第二定位孔中的步骤。

将多层堆叠体固定在一起的步骤还可以包括在将支撑板安装在模具上之前沿着形成在模具上的导轨移动定位销，以根据多层堆叠体的尺寸调整定位销的位置。

可以同时执行形成第一电极窗的第三步骤和形成第一定位孔的第四步骤，也可以同时执行形成第二电极窗的第六步骤和形成第二定位孔的第七步骤。

根据本公开的另一方面，提供一种膜-电极组件的制造设备，包括：

支撑板，所述支撑板被配置为使至少一个多层堆叠体放置在其上，所述多层堆叠体包括电解质膜、第一电极、第一子衬垫膜、第二电极以及第二子衬垫膜，第一电极在电解质膜的第一表面上，第一子衬垫膜设置在电解质膜的第一表面上，第一子衬垫膜具有被配置为使第一电极的至少一部分露出的第一电极窗，第二电极在电解质膜的第二表面上，第二子衬垫膜设置在电解质膜的第二表面上，第二子衬垫膜具有被配置为使第二电极的至少一部分露出的第二电极窗；模具，所述模具上安装有支撑板或者被配置为使支撑板安装在模具上；以及冲压板，其中，多层堆叠体的周边部分中形成有至少两个定位孔，模具包括被配置为插入定位孔中的至少两个定位销，并且冲压板包括冲头，所述冲头被配置为从多层堆叠体中去除其中形成有的定位孔的周边部分并且在多层堆叠体的剩余部分中形成至少一个歧管孔。

模具可以具有被配置为引导定位销的移动的导轨。

上面给出的本公开的一般描述仅用于说明或描述本公开，并不限制本公开的权利的范围。

有益效果

根据本公开，定位孔形成在电解质膜、电极和不包括在最终产品中的子衬垫膜的多层堆叠体的区域中，并且基于此快速且准确地形成膜-电极组件的歧管孔，从而可以降低膜-电极组件的缺陷率的同时提高生产率。

附图说明

附图被包括以帮助理解本发明并且被并入和构成本说明书的一部分，附图示出了本公开的实施例并用于与本公开的详细描述一起解释本公开的原理。

图1示意性地示出了传统的膜-电极组件制造方法；以及

图2和图3示意性地示出了根据本公开的实施例的用于制造膜-电极组件的方法和设备。

具体实施方式

在下文中，将参照图2和图3更详细地描述根据本公开的实施例的用于制造膜-电极组件的方法和设备。

如图2所示，制备膜电极堆叠体、第一子衬垫膜131以及第二子衬垫膜132。

膜-电极堆叠体包括电解质膜110、第一电极121以及第二电极122。电解质膜110具有第一表面以及与第一表面相对的第二表面。第一电极121设置于第一表面上，第二电极122设置于第二表面上。

在本说明书中，术语“电解质膜”是包括单膜型聚合物电解质膜(PEM)和增强膜型复合体PEM的概念。

第一子衬垫膜131具有第一中心区域131b和围绕第一中心区域131b的第一周边区域131a。类似地，第二子衬垫膜132具有第二中心区域132b和围绕第二中心区域132b的第二周边区域132a。

第一中心区域131b和第二中心区域132b中的每一个是位于第一切割线CL1内的区域，第一切割线CL1是与最终膜-电极组件的形状和尺寸相对应的简单闭合曲线，并且将保留在最终产品中。相反，第一周边区域131a和第二周边区域132a中的每一个是位于第一切割线CL1外并且将通过沿第一切割线CL1执行的切割/冲压工序去除的区域，因此将不存在于最终产品中。

随后，如图2所示，第一电极窗EW1和至少两个第一定位孔PH1形成在第一子衬垫膜131中。第一电极窗EW1形成在第一子衬垫膜131的第一中心区域131b中。相对于此，第一定位孔PH1形成在第一子衬垫膜131的第一周边区域131a中。

类似地，第二电极窗EW2和至少两个第二定位孔PH2形成在第二子衬垫膜132中。第二电极窗EW2形成在第二子衬垫膜132的第二中心区域132b中。相对于此，第二定位孔PH2形成在第二子衬垫膜132的第二周边区域132a中。

第一电极窗EW1和第一定位孔PH1可以同时形成。或者，可以形成第一电极窗EW1和第一定位孔PH1中的一个，然后可以形成另一个。

类似地，第二电极窗EW2和第二定位孔PH2也可以同时或依次形成。当第二电极窗EW2和第二定位孔PH2依次形成时，顺序没有特别限制。

在本公开的实施例中，第一电极窗EW1和第一定位孔PH1可以使用冲压工具一次形成，第二电极窗EW2和第二定位孔PH2也可以使用冲压工具一次形成。因此，第一电极12和第二电极13中的每一个的至少一部分露出，由此第一电极窗EW1和第二电极窗EW2(其限定直接有助于发电的有源区域AA)以及第一定位孔PH1和第二定位孔PH2之间的相对位置可以保持均匀。

随后，如图2所示，第一子衬垫膜131和第二子衬垫膜132分别附接到电解质膜110的第一表面和第二表面以形成多层堆叠体100。

第一子衬垫膜131和第二子衬垫膜132可以同时或依次附接到电解质膜110。当第一子衬垫膜131和第二子衬垫膜132依次附接到电解质膜110时，顺序没有特别限制。

当第一子衬垫膜131附接到电解质膜110的第一表面时，第一电极121的至少一部分通过第一电极窗EW1露出。也就是说，在边缘配合型结构中，整个第一电极121通过第一电极窗EW1露出。相对于此，在重叠型结构中，第一电极121的边缘部被第一子衬垫膜131覆盖，因此仅第一电极121的中心部分通过第一电极窗EW1露出。类似地，当第二子衬垫膜132附接到电解质膜110的第二表面时，第二电极122的至少一部分通过第二电极窗EW2露出。

电解质膜110的尺寸或形状没有特别限制，只要在形成多层堆叠体100时，电解质膜不阻挡第一子衬垫膜131和第二子衬垫膜132的第一定位孔PH1和第二定位孔PH2即可。例如，如图3所示，在多层堆叠体100中，电解质膜110可以具有这样的尺寸和形状，使得在电解质膜不阻挡第一定位孔PH1和第二定位孔PH2的同时电解质膜的周边设置在第一切割线CL1的简单闭合曲线的外侧。

或者，电解质膜110可以具有这样的尺寸和形状，使得电解质膜的周边设置在第一切割线CL1的简单闭合曲线的内侧，由此电解质膜可以仅与第一子衬垫膜131和第二子衬垫膜132的第一中心区域131b和第二中心区域132b重叠。特别地，为了最小化相对昂贵的电解质膜110的使用量，电解质膜110可以具有这样的尺寸和形状，使得电解质膜甚至不与用于歧管孔MH形成的第二切割线CL2重叠。

随后，沿着第二切割线CL2执行切割工序以在多层堆叠体100的与第一中心区域131b和第二中心区域132b相对应的中心部分中形成至少一个歧管孔MH。此外，沿第一切割线CL1执行切割工序以去除多层层叠体100的与第一周边区域131a和第二周边区域132a相对应的周边部分。

在本公开的实施例中，可以基于第一定位孔PHl和第二定位孔PH2的位置来执行形成至少一个歧管孔MH的工序和去除多层堆叠体100的周边部分的工序。即，可以基于第一定位孔PH1和第二定位孔PH2的位置来确定用于形成至少一个歧管孔MH的第二切割线CL和用于去除多层堆叠体100的周边部分的第一切割线CL1。

例如，如图3所示，可以通过将定位销311插入多层堆叠体100的第一定位孔PH1和第二定位孔PH2中来固定多层堆叠体100，然后可以沿着第一切割线CL1和第二切割线CL2执行切割工序。即，可以基于定位销311(因此，基于第一定位孔PH1和第二定位孔PH2的位置)来执行多层堆叠体100的切割工序。

或者，使用视觉传感器测量第一定位孔PH1和第二定位孔PH2的位置，并且可以基于其确定第一切割线CL1和第二切割线CL2的位置。

根据本公开，可以基于第一定位孔PH1和第二定位孔PH2的位置来执行切割工序(第一定位孔PH1和第二定位孔PH2相对于限定有源区域AA的第一电极窗EW1和第二电极窗EW2具有均匀的位置)，由此第一电极窗EW1和第二电极窗EW2(即，有源区域AA)可以始终设置在最终膜-电极组件产品的中心中，并且可以保持有源区域AA与歧管孔MH之间的距离均匀，因此可以显著地降低膜-电极组件和包括该膜-电极组件的燃料电池的缺陷率。

可以同时或依次地执行沿第二切割线CL2切割多层堆叠体100以形成至少一个歧管孔MH的工序和沿第一切割线CL1切割多层堆叠体100以去除多层堆叠体100的周边部分的工序。当依次执行切割工序时，顺序没有特别限制。

在本公开的实施例中，可以通过冲压来执行沿着第一切割线CL1和第二切割线CL2的切割工序。

此外，在本公开的实施例中，可以使用上述的方法形成各自具有第一定位孔PH1和第二定位孔PH2的多个多层堆叠体100，并且可以使用根据本公开的膜-电极组件制造设备冲压多层堆叠体100，由此可以降低膜-电极组件的缺陷率并最大化生产率，这将在下面详细描述。

如图3所示，根据本公开的设备包括支撑板200、模具310和冲压板320。

首先，将使用上述方法形成的多个多层堆叠体100堆叠在支撑板200上。支撑板200可以具有与多层堆叠体100和/或最终膜-电极组件产品相对应的形状。例如，支撑板200可以比多层堆叠体100小至多层堆叠体100的第一定位孔PH1和第二定位孔PH2不与支撑板200重叠的程度。

支撑板200可以安装在包括至少两个定位销311的模具310上，并且当多个多层堆叠体100被依次堆叠在支撑板200上时，将模具310的定位销311插入多层堆叠体100的第一定位孔PH1和第二定位孔PH2中以固定多层堆叠体100相对于模具310的位置。

或者，包括至少两个定位销311的模具310可以被配置为使放置有多层堆叠体100的支撑板200安装在其上。即，多个多层堆叠体100可以堆叠在支撑板200上，然后支撑板200可以安装在模具310上。当支撑板200安装在模具310上时，模具310的定位销311插入堆叠在支撑板200上的多层堆叠体100的第一定位孔PH1和第二定位孔PH2中，由此可以确保多层堆叠体100相对于模具310的位置。

可选地，模具310可以具有被配置为引导定位销311的移动的导轨312。定位销311的位置可以通过电子控制或手动调节。因此，在本发明的一个实施例中，定位销311的位置可以在多层堆叠体100堆叠在固定于模具310的支撑板200上之前或者在堆叠有多层堆叠体100的支撑板200安装在模具310上之前，根据多层堆叠体100的尺寸(或根据第一定位孔PH1和第二定位孔PH2的位置)来调整。

冲压板320包括冲头321，冲头321被配置为通过沿第一切割线CL1冲压而去除其中形成有第一定位孔PH1和第二定位孔PH2的每个多层堆叠体100的周边部分，并且通过沿第二切割线CL2冲压而在每个多层堆叠体100的剩余部分中形成至少一个歧管孔MH。

可以移动具有冲头321的冲压板320和模具310中的至少一个以执行冲压。

根据本公开，如上所述，支撑板200上的多个多层堆叠体100被冲压在一起，由此可以显著地提高膜-电极组件的生产率。

尽管在以上描述中多个多层堆叠体100被冲压在一起，但是当仅一个多层堆叠体100被冲压时，也可以使用根据本公开的设备。

Claims (12)

1.一种膜-电极组件的制造方法，包括：

第一步骤，制备膜-电极堆叠体，所述膜-电极堆叠体包括具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面的电解质膜、所述第一表面上的第一电极以及所述第二表面上的第二电极；

第二步骤，制备第一子衬垫膜，所述第一子衬垫膜具有第一中心区域和围绕所述第一中心区域的第一周边区域；

第三步骤，在所述第一中心区域中形成第一电极窗；

第四步骤，在所述第一周边区域中形成至少两个第一定位孔；

第五步骤，制备第二子衬垫膜，所述第二子衬垫膜具有第二中心区域和围绕所述第二中心区域的第二周边区域；

第六步骤，在所述第二中心区域中形成第二电极窗；

第七步骤，在所述第二周边区域中形成至少两个第二定位孔；

第八步骤，将所述第一子衬垫膜附接到所述电解质膜的所述第一表面，使得所述第一电极的至少一部分通过所述第一电极窗露出，并且将所述第二子衬垫膜附接到所述电解质膜的所述第二表面，使得所述第二电极的至少一部分通过所述第二电极窗露出，从而形成多层堆叠体；

第九步骤，在所述多层堆叠体的与所述第一中心区域和所述第二中心区域相对应的中心部分中形成至少一个歧管孔；以及

第十步骤，去除所述多层堆叠体的与所述第一周边区域和所述第二周边区域相对应的周边部分。

2.根据权利要求1所述的膜-电极组件的制造方法，其中，基于所述第一定位孔和所述第二定位孔的位置来执行形成所述至少一个歧管孔的所述第九步骤和去除所述多层堆叠体的所述周边部分的所述第十步骤。

3.根据权利要求2所述的膜-电极组件的制造方法，其中，同时执行形成所述至少一个歧管孔的所述第九步骤和去除所述多层堆叠体的所述周边部分的所述第十步骤。

4.根据权利要求3所述的膜-电极组件的制造方法，其中，通过冲压所述多层堆叠体来执行形成所述至少一个歧管孔的所述第九步骤和去除所述多层堆叠体的所述周边部分的所述第十步骤。

5.根据权利要求2所述的膜-电极组件的制造方法，还包括在形成所述至少一个歧管孔的所述第九步骤和去除所述多层堆叠体的所述周边部分的所述第十步骤之前固定所述多层堆叠体的步骤。

6.根据权利要求5所述的膜-电极组件的制造方法，其中，通过将定位销插入所述第一定位孔和所述第二定位孔中来执行固定所述多层堆叠体的步骤。

7.根据权利要求6所述的膜-电极组件的制造方法，其中，

重复所述第一步骤至所述第八步骤以获得多个所述多层堆叠体，

通过将所述定位销插入所述多层堆叠体的所述第一定位孔和所述第二定位孔中而将所述多层堆叠体固定在一起，并且

通过将所述多层堆叠体一起冲压来执行所述第九步骤和所述第十步骤。

8.根据权利要求7所述的膜-电极组件的制造方法，其中，将所述多层堆叠体固定在一起的步骤包括：

将所述多层堆叠体堆叠在支撑板上的步骤；以及

将堆叠有所述多层堆叠体的所述支撑板安装在具有所述定位销的模具上的同时将所述定位销插入所述多层堆叠体的所述第一定位孔和所述第二定位孔中的步骤。

9.根据权利要求8所述的膜-电极组件的制造方法，其中，将所述多层堆叠体固定在一起的步骤还包括在将所述支撑板安装在所述模具上之前，沿着形成在所述模具上的导轨移动所述定位销，以根据所述多层堆叠体的尺寸调整所述定位销的位置。

10.根据权利要求1所述的膜-电极组件的制造方法，其中，

同时执行形成所述第一电极窗的所述第三步骤和形成所述第一定位孔的所述第四步骤，并且

同时执行形成所述第二电极窗的所述第六步骤和形成所述第二定位孔的所述第七步骤。

11.一种膜-电极组件的制造设备，包括：

支撑板，所述支撑板被配置为使至少一个多层堆叠体放置在所述支撑板上，所述多层堆叠体包括电解质膜、第一电极、第一子衬垫膜、第二电极以及第二子衬垫膜，所述第一电极在所述电解质膜的第一表面上，所述第一子衬垫膜设置在所述电解质膜的所述第一表面上，所述第一子衬垫膜具有被配置为使所述第一电极的至少一部分露出的第一电极窗，所述第二电极在所述电解质膜的第二表面上，所述第二子衬垫膜设置在所述电解质膜的所述第二表面上，所述第二子衬垫膜具有被配置为使所述第二电极的至少一部分露出的第二电极窗；

模具，所述模具上安装有所述支撑板或者所述模具被配置为使所述支撑板安装在所述模具上；以及

冲压板，

其中，所述多层堆叠体的周边部分中形成有至少两个定位孔，

所述模具包括被配置为插入所述定位孔中的至少两个定位销，并且

所述冲压板包括冲头，所述冲头被配置为从所述多层堆叠体中去除其中形成有所述定位孔的所述周边部分并且在所述多层堆叠体的剩余部分中形成至少一个歧管孔。

12.根据权利要求11所述的膜-电极组件的制造设备，其中，所述模具具有被配置为引导所述定位销的移动的导轨。

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