CN1277326C - 燃料电池的隔板以及膜片和电极组件的层压方法和设备 - Google Patents
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Abstract
在生产燃料电池的过程中，本发明的方法可以矫正涂有密封剂(97)的隔板(78)的翘曲。在矫正设备(47)上完成矫正。随着在矫正设备上对翘曲进行矫正，将膜片和电极组件叠加到隔板上，其中在通过在所述矫正装置处喷射压缩空气而形成的负压作用下，通过吸引和平展所述隔板而矫正所述隔板中的翘曲。
Description
技术领域
本发明涉及一种层压燃料电池的隔板以及膜片和电极组件的方法，和一种层压燃料电池的隔板以及膜片和电极组件的设备，该设备适合在燃料电池内获得良好绝缘。
背景技术
燃料电池利用水电解的相反原理，使氢和氧之间发生化学反应而产生电。理论上仅由此排出水。通常氢表示为一种燃料气体。空气通常用作供氧源，并且表述成氧化剂气体。
例如在公开号为特开2000-123848的日本专利中公开的“燃料电池”就是这样的一种燃料电池，这种燃料电池被设计成电池块：在阳极和阴极之间插入电解质膜，通过设置在电极外侧的垫片在第一隔板和第二隔板之间分别插入阳极和阴极。
更具体地说，构成燃料气体的流动通道的第一流动通道设置在第一隔板的内表面上，和构成氧化剂气体的流动通道的第二流动通道设置在第二隔板的内表面上，它们分别向中间电解质膜提供燃料气体和氧化剂气体。
由于从单个电池块所能得到的电力很小，要把多个这种电池块叠加在一起以得到所需电力。第一隔板和第二隔板是用来防止燃料气体或氧化剂气体泄漏到相邻电池的隔离件，因此被称作“隔板”。
第一隔板的内表面上具有用于燃料气体的第一流动通道，第二隔板的内表面上设有用于氧化剂气体的第二流动通道。第一和第二流动通道需要设有多个很浅的沟槽，以便有效地使气体与阳极和阴极接触。
第一隔板和第二隔板在它们的一端分别设有为第一流动通道提供燃料气体的燃料气体供应孔和为第二流动通道提供氧化剂气体的氧化剂气体供应孔，在另一端分别设有燃料气体流出孔和氧化剂气体流出孔。第一隔板和第二隔板的一端还设有使冷水流入的冷水供应孔，以及在另一端有冷水流出孔。
本发明人进行了各种尝试来生产电池块：在隔板上施加代替两个垫片的液体密封剂，将由电解质膜和电极组成的膜片和电极组件放在两个隔板之间，这种方法带来了以下问题。
图18A和18B示出了两个隔板以及膜片和电极组件的层压过程。
在图18A中，涂有密封剂202的隔板203放在层压台201上，由电解质膜204和碳电极205、205组成的膜片和电极组件206叠加在隔板203上，其中碳电极205、205贴在电解质膜204的相对表面，另一涂有密封剂202的隔板207叠加在膜片和电极组件206上面，形成了隔板203、膜片和电极组件206和隔板207的层压结构，这样就产生出电池。
在图18B中，涂在隔板203和207边缘部分的密封剂202、202经层压后展开。由于隔板203和207彼此相向翘曲，密封剂202的外边厚度是t1，内部厚度是t2，且因此内部厚度t2比t1薄。碳电极205、205的厚度越薄，密封剂202的薄部也越薄，妨碍了良好的密封。
因此需要一种改进层压用于燃料电池的隔板以及膜片和电极组件的方法和层压设备，以便获得燃料电池内的良好密封。
发明内容
根据本发明，提供了一种燃料电池隔板以及膜片和电极组件的层压方法，其中在层压台将所述膜片和电极组件叠加到涂有密封剂的所述隔板上，所述方法包括步骤：在附加于所述层压台的矫正设备上，矫正隔板的翘曲；以及随着矫正设备的操作，将所述膜片和电极组件叠加到隔板上，其中在通过在所述矫正装置处喷射压缩空气而形成的负压作用下，通过吸引和平展所述隔板而矫正所述隔板中的翘曲。
只在一个表面上设有构成气体流动通道的沟槽或相似物的隔板可是翘曲的，或者在一个表面设有形状与另一表面的沟槽形状不同的沟槽的隔板可是翘曲的。即使翘曲曾经被矫正，但是由树脂制成的隔板还可以再次弹性翘曲。
在本发明中，由于把膜片和电极组件叠加在隔板上，同时通过矫正设备的操作矫正隔板，因此涂在隔板上的密封剂能够展开到均匀的厚度，提供了良好密封。
在通过在矫正设备处喷射压缩空气而产生的负压作用下，优选地通过吸引和压平隔板而使隔板中的翘曲得到更好的矫正。用于以射流的形式从喷嘴中排出压缩空气的矫正设备防止了被吸住的隔板与矫正设备接触，因而不会损坏隔板。
在本发明中，可以优选地控制在矫正设备上形成的负压，以便将涂有密封剂的密封剂涂敷表面和要被矫正翘曲的矫正表面之间的隔板高度减小到或低于一个预定值。通过控制矫正设备上的负压作用，能把密封剂涂敷表面和矫正表面之间的高度减小到或低于一个预定值，因此只要调节压缩空气的喷射量、改变负压就能容易地调节所述高度。压缩过程的准备因此变得容易，提高了可操作性。
根据本发明，还提供一种用于层压用作燃料电池隔板以及膜片和电极组件的层压设备，该设备包括：托板，托板上放置涂有密封剂的隔板；以及用于矫正隔板的翘曲的矫正设备；其中，随着矫正设备的操作，通过压力设备将膜片和电极组件叠加到隔板上，其中在通过在所述矫正装置处喷射压缩空气而形成的负压作用下，通过吸引和平展所述隔板而矫正所述隔板中的翘曲。如上所述，矫正设备以射流的形式射出压缩空气。获得了具有此简单结构的层压设备。
附图说明
图1是本发明的用于燃料电池隔板的密封剂涂敷和层压设备的正视图；
图2示出图1所示的密封剂涂敷台；
图3是沿图2中箭头3方向的视图；
图4是沿图2中箭头4方向的视图，示出了隔板支座；
图5A和5B示出了用于矫正隔板中的翘曲的矫正设备；
图6是用于运送隔板的托板的平面图；
图7是沿图6中7-7线的放大剖面图；
图8是沿图6中8-8线的放大剖面图；
图9是沿图6中9-9线的放大剖面图；
图10是把密封剂涂敷到隔板上并层压的流程图；
图11A至11C是把隔板定位在托板上的示意图；
图12是将托板底座放置到隔板支座上的示意图；
图13A至13D示出了使托板在托板支座部分上定位的部分顺序图；
图14A和14B是利用矫正设备矫正隔板上的翘曲的示意图；
图15是随着隔板的矫正把密封剂涂敷到隔板上的视图；
图16A至16H示出了在密封剂涂敷到隔板的过程中，把密封剂涂在密封起始部分和密封结束部分之间的过程；
图17A至17C是在层压台把膜片和电极组件叠加在隔板上的顺序的示意图；
图18A和18B是层压隔板以及膜片和电极组件的传统层压方法的示意图。
具体实施方式
如图1所示，燃料电池隔板的密封剂涂敷和层压设备10具有把密封剂涂敷到隔板上的密封剂涂敷台11和把膜片和电极组件叠加在涂有密封剂的隔板上的层压台12。
膜片和电极组件(以下称为“MEA”)是通过把由碳纸(carbon paper)制成的阳极和阴极贴在由高分子化合物构成的高聚合体电解质膜的相对表面而形成的。
图2至4示出了图1所示的密封剂涂敷台11。密封剂涂敷台11包括安装在底座21上的隔板支座22、安装在底座21上的臂23、安装在臂23上的密封剂涂敷枪24和设置在密封剂涂敷枪24的远端附近的非接触传感器25。
密封剂涂敷枪24包括储存密封剂的可替换密封剂盒27、与密封剂盒27连接的密封剂供应软管28、连在密封剂供应软管28远端的密封剂压出装置31、驱动密封剂压出装置31的电动马达32和连在密封剂压出装置31远端以排出密封剂的喷嘴33。
在向隔板涂敷密封剂的过程中，非接触传感器25用例如激光照射大约低于喷嘴33的隔板表面，检测已涂敷的密封剂而不与其接触。未显示的控制器根据来自非接触传感器25的信号使臂23动作，从而控制密封剂涂敷枪24在水平和垂直方向的运动。
密封剂涂敷枪24上的密封剂压出装置31具有插入气缸的带有螺旋沟槽的螺钉。螺钉随电动马达32一起转动，以便经密封剂供应软管28吸取密封剂盒27内的密封剂，和从气缸内壁和螺旋沟槽之间压出密封剂，使密封剂从喷嘴33流出。
如图3所示，后板35连在密封剂涂敷枪24的后部。从后板35的下端沿斜下方向伸出一对支柱36(未示出后面的支柱36)。非接触传感器25连在支柱36的远端。非接触传感器25的远端朝着喷嘴33的下方。
图4示出了密封剂涂敷台的俯视图。
密封剂涂敷台11的隔板支座22具有：托板安装部41，42，43和44，运送隔板的托板81(见图6)放置在托板安装部上；第一定位构件45和第二定位构件46，用于使托板81在隔板支座22上定位；和矫正设备47、47，作为用于校正安装在托板81上的隔板中的翘曲的隔板矫正工具。
托板安装部41具有安装表面51和从安装表面51突出的L形凸台52，L形凸台52有定位表面52a和52b。
托板安装部42具有安装表面53和从安装表面53突出的矩形凸台54，矩形凸台54有定位表面54a。
托板安装部43和44分别具有安装表面55和56。
第一定位构件45包括气缸部分61、插在气缸部分61中未显示的气缸内的杆62、62和连在杆62、62远端的按压装置63。第一定位构件45从入口64、64向气缸供油或空气以推出杆62、62，利用按压装置63按压部分托板81并使托板81定位。标号63a表示在按压装置63上形成的斜面。
第二定位构件46包括气缸部分66、插在气缸部分66中未示出的气缸内部的杆67、67和连在杆67、67远端的按压装置68。第二定位构件46从入口69、69向气缸内供油或空气以推出杆67、67，利用按压装置68按压部分托板81并使托板81定位。标号68a表示在按压装置68上形成的斜面。
图5A和5B示出了图4所示燃料电池隔板的矫正设备47。
在图5A中，矫正设备47包含圆柱形部分72、连接管75和空气软管76，连接管75与在圆柱形部分72内形成的多个喷射孔74连通，喷射孔74沿上表面73的边缘开口，空气软管76与连接管75连接。
在图5B中，通过空气软管76提供压缩空气，空气从连接管75和多个喷射孔74喷射出来。当隔板78靠近矫正设备47时，空气迅速从圆柱形部分72的边缘和隔板78之间流出，如箭头①、①所示。这使圆柱形部分72的上表面73的中央部分和隔板78之间形成负压，而使隔板78移向圆柱形部分72，如箭头②所示。来自喷射孔74的空气射流阻止了隔板78和圆柱形部分72的上表面73的接触。
特别是，矫正设备47以一定距离吸引隔板78而不接触隔板78，从而矫正隔板78中的翘曲。
此外，由于矫正设备47不接触隔板78，因此隔板78不会附着有金属离子。如果隔板78上附着有金属离子，则它们会附在叠加于隔板78上的MEA碳电极上，与电子结合，并在碳电极上沉积金属。沉积的金属会阻止氢和氧的反应，使燃料电池的性能变差。
图6是本发明的用于运送燃料电池隔板78的托板的俯视图。作为传送构件的托板81包括一个框架82。框架82具有：用于使隔板78定位的定位销83、83，用于固定隔板78的多个钩件84，和用于在如图4所示的隔板支座22上定位的多个定位块85。框架82的相对端设有手柄86、86。
图7示出了通过螺钉91固定在框架82下表面的定位块85。如图6中所示，定位块85是一个圆柱形构件。
如图8所示，钩件84包含隔板紧固片94和套管95。利用螺栓93通过套管95将隔板紧固片94固定在框架82上表面。
套管95的台阶95a的高度大于隔板紧固片94的厚度。因此，隔板紧固片94可以绕套管95转动，该套管95通过固定螺栓93而固定在框架82上。标号94a表示在隔板紧固片94的下表面上形成的凹口，该凹口与隔板78的边缘部分接合。
图9示出被压进框架82上表面的定位销83和装配在定位销83上的隔板78的定位孔78a。
图10是按照本发明把密封剂涂敷到燃料电池隔板的涂覆过程和层压过程的流程图。
步骤(以下缩写为ST)01：隔板定位在托板上。
ST02：托板运送隔板。
ST03：托板定位在密封剂涂敷台上。即，隔板定位在密封剂涂敷台上。
ST04：随着隔板中的翘曲被矫正，使密封剂涂敷在隔板上。
ST05：托板运送隔板。
ST06：托板定位在层压台上。
ST07：随着隔板上的翘曲被矫正，将MEA叠加在隔板上。用此方法制造出多个电池并将其彼此叠加在一起而制造出燃料电池。
图11A至11C示出定位在托板81上的隔板78。
如图11A所示，首先使隔板78的定位孔78a、78a与托板81的定位销83，83相配合，以便使隔板78定位在托板81上。
如图11B所示，按箭头所示方向转动设在托板81上的钩件84的隔板紧固片94，如图11C所示使隔板紧固片94的凹口94a和隔板78的边缘部分接合，从而扣紧隔板78的边缘部分。
如图12所示，把设在托板81四角的定位块85放在隔板支座22上的托板安装部41、42、43和44上面。
图13A至13D示出了托板在托板安装部41上的定位。
如图13A所示，定位块85放置在安装表面51上，定位块85与托板安装部41的L形凸台52的定位表面52a和52b相距一定距离。
如图13B所示，定位块85放置在安装表面53上，定位块85与托板安装部42的矩形凸台54的定位表面54a相距一定距离。
如图13C所示，通过向气缸部分61供油或空气，利用杆62、62向L形凸台52方向推进按压装置63，如箭头所示，使按压装置63的斜面63a与定位块85接触。定位块85受到由斜面63a沿图中向左和向上方向施加的分力的作用，沿箭头所示方向向左和向上移动。
如图13D所示，通过向气缸部分66提供油或空气，利用杆67、67向矩形凸台54方向推进按压装置68，如箭头所示，使按压装置68的斜面68a与定位块85接触，如图13B所示，几乎与图13A所示的斜面63a与定位块85的接触同时发生。定位块85受到由斜面68a沿图中向左和向上方向施加的分力的作用，如箭头所示向左和向上移动。
在图13C和13D中，随着按压装置63和68不断移动，斜面63a和68a使图13A中所示的定位块85紧靠定位面52a和52b，使图13B中所示的定位块85紧靠定位面54a。此时，由于定位块85由定位面52a、52b和斜面63a三处支柱，因此在按压装置63的侧面63b和定位块85之间产生了一定量的间隙C，如图13C所示。
图12所示放置在托板安装部43的安装表面55和托板安装部44的安装表面56上的定位块85、85随着放置在上述安装表面51和53上的定位块85、85的移动而移动。托板81在隔板支座22上的定位以这种方式完成。
图14A和14B示出了用矫正设备47矫正隔板78的翘曲。
图14A示出矫正设备47设置在装在托板81上的隔板78的下方。为了方便起见，省略了两个矫正设备47中的一个。如图所示，隔板78形成翘曲，该隔板78仅在一个表面上设有构成气体流动通道的沟槽或相似物，或者该隔板78在一个表面上设有形状不同于另一表面上沟槽的沟槽。
如图14B所示，为了矫正隔板78的翘曲，向矫正设备47供应压缩空气，使压缩空气从矫正设备47和隔板78之间喷射出来，如箭头所示，利用矫正设备47吸引隔板78。因此使隔板48变平，如空心箭头所示。
图15示出了随着隔板78的矫正而把密封剂97涂敷在隔板78上的涂覆过程。
因此隔板78的翘曲被矫正，即，随着矫正设备47(见图14B)的操作，密封剂97被涂敷在隔板78上。密封剂97最初例如涂在定位孔78a附近(97a表示涂敷起始部分)，然后通常以呈矩形形状沿隔板78边缘涂在其内部，如箭头所示。涂敷结束部分97b横穿过涂敷起始部分97a。
图16A至16H示出了在把密封剂97涂敷到隔板78的过程中，在涂敷起始部分97a和涂敷结束部分97b之间的交叉位置附近涂敷密封剂的过程。
在图16A中，密封剂涂敷枪的喷嘴33移动，同时将密封剂97涂敷到隔板78，保持其距离隔板的高度为h1。
在图16B中，喷嘴33移近密封剂97的涂敷起始部分97a。当从图3所示的非接触传感器25射出的激光99探测到密封剂97的涂敷起始部分97a时，喷嘴33开始向下移动，如箭头所示。喷嘴33下移到距离隔板78的高度为h2的位置，如图16C所示，然后喷嘴33开始向上移动，如箭头所示。
在图16D中，当喷嘴33到达距离隔板78的最初高度h1(见图16A)时，喷嘴33再次水平移动并保持高度为h1，如箭头所示。
如图16E和16F中的箭头所示，喷嘴33在水平移动的同时继续涂敷密封剂97，并且如图16G所示完成密封剂97的涂敷。在图16G所示的涂敷起始部分97a和涂敷结束部分97b之间的交叉部分97c处，在涂敷起始部分97a的左边(在交叉部分的后侧)形成了一个缝隙101。在涂敷起始部分97a右边(在交叉部分的前侧)没有形成缝隙，从而提高了密封性。
为了填充涂敷起始部分97a左边的缝隙101，可以让喷嘴33返回到使密封剂涂敷位置穿过涂敷起始部分97a的位置处，如图16所示，即，在水平方向上与图16D所示的垂直移动喷嘴33的位置相距预定距离L的位置处，然后使喷嘴33降低到距离隔板78的高度为h3的位置(h3＜h1或h3＝h2)。
此后，图14B所示的矫正设备47停止吸引隔板78，在托板81(见图6)上将涂有密封剂97的隔板78传送到层压台。
图1所示的层压台12具有一个与图4所示的隔板支座22结构相同的隔板支座。如在图12和13A至13D中所示，托板81定位在层压台12的隔板支座上。
图17A至17C示出了把MEA叠加在层压台中的隔板上的顺序。
图17A示出了放置在层压台的隔板支座上的托板81。涂有密封剂97的隔板78几乎返回到图14A所示的翘曲状态。涂有密封剂的表面和要矫正的翘曲的矫正表面之间的高度，即图中所示的隔板78上表面上的点A(与密封剂97宽度中心相对应的点)与点B(翘曲的隔板78的顶部，即隔板78的矫正位置)之间的距离是D。
在图17B中，向装在层压台上的矫正设备47输送压缩空气，从而使其从矫正设备47和隔板78之间喷射出来，如箭头所示，由此使矫正设备47吸引隔板78。图17A中所示的距离D减小到或低于一个预定值。要求将距离D减至零而使隔板78变平。
随着隔板78受到吸引以便进行矫正，将一个MEA103放在涂有密封剂97的隔板78的表面上，然后把另一个已涂有密封剂97的隔板104放在MEA103的上表面上，接着再把一个框架构件105放在隔板104上。
在图17C中，采用图1所示的压力设备107通过框架构件105把彼此叠加在一起的隔板78、MEA103和隔板104压紧，如箭头所示，制成一个电池。
不用矫正设备47而是通过框架构件105的压紧，例如能够使隔板78平展到某种程度。但是，框架构件105不能按压到隔板78的中央部分，因此不能使整个隔板78变平。
在本发明中，由于用矫正设备47对隔板78进行矫正而使其充分平展并接着用框架构件105将其压紧，因此使密封剂97在平坦表面上展开。
如图17A到17C所示，本发明的特征在于：一种层压燃料电池隔板78和MEA103的方法，其中在层压台12内将MEA103叠加到涂有密封剂97的隔板78上(见图1)，附加到层压台12的矫正设备47矫正隔板78中的翘曲，利用矫正设备47的操作把MEA103叠加到隔板78上。涂敷在隔板78上的密封剂97可以呈均匀厚度展开，提供了良好密封性。
本发明的矫正设备47的特征是：在通过喷射压缩空气而形成的负压作用下，吸引隔板78以使之平展。被吸引的隔板78由此避免了与矫正设备47接触，因而不受到损坏。
本发明的进一步特征是：可以控制在矫正设备47上形成的负压，以便使垂直距离D减小到或低于一个预定值，该垂直距离D为隔板78上涂敷有密封剂97的密封剂涂敷表面上的点A与待矫正翘曲的矫正表面上的点B之间的距离。为把距离D减小到或低于预定值(距离D最小为零，这种情况下隔板78是平展的)，仅调整压缩空气的喷射量就能改变负压，因此容易地设置距离D。因此使层压过程的准备变得很容易，提高了可加工性。
本发明的矫正工具不限于实施例所示的矫正设备47，也可以是空气喷射装置和空气吸入装置的组合。
工业实用性
在本发明中，附加到层压台上的矫正设备矫正了隔板上的翘曲，且随着矫正设备的操作，将膜片和电极组件叠加到隔板上，使得涂敷在隔板上的密封剂可以以均匀厚度展开，提供了良好密封性。这对于燃料电池的生产很有利。
Claims (4)
1、一种用于层压燃料电池的隔板(78)以及膜片和电极组件(103)的方法，其中在层压台(12)将所述膜片和电极组件叠加到涂有密封剂(97)的所述隔板上，所述方法包括以下步骤：
在附加于所述层压台(12)的矫正设备(47)处，矫正隔板(78)的翘曲；和
随着所述矫正设备的操作，将所述膜片和电极组件(103)叠加到所述隔板上，
其中在通过在所述矫正装置处喷射压缩空气而形成的负压作用下，通过吸引和平展所述隔板而矫正所述隔板中的翘曲。
2、按权利要求1所述的层压方法，其特征在于，控制在所述矫正设备(47)上形成的所述负压，以便使涂有所述密封剂(97)的密封剂涂敷表面和待矫正翘曲的矫正表面之间的所述隔板(78)的高度减小到或低于一个预定值。
3、一种层压用做燃料电池的隔板以及膜片和电极组件的设备，所述设备包括：
托板(81)，该托板(81)上放置涂有密封剂(97)的所述隔板(78)；以及
用于矫正隔板中的翘曲的矫正设备(47)；其中，
随着所述矫正设备的操作，通过压力设备(107)将所述膜片和电极组件叠加到所述隔板上，以及
在通过在所述矫正装置处喷射压缩空气而形成的负压作用下，通过吸引和平展所述隔板而矫正所述隔板中的翘曲。
4、按权利要求3所述的层压设备，其特征在于，控制在所述矫正设备(47)上形成的所述负压，以便使涂有所述密封剂(97)的密封剂涂敷表面和待矫正翘曲的矫正表面之间的所述隔板(78)的高度减小到或低于一个预定值。
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