CN1874038A - 燃料电池膜片/电极组件的冲剪方法 - Google Patents

Abstract

一种膜片/电极组件的冲剪装置(10)，它包括：其上放置膜片/电极组件(65)的下部冲模(14)，具有冲剪刀片(15)的上部冲模(16)，以及可以上升/下降地悬挂在该上部冲模上且吸住碳电极(12)的按压元件(17)。本发明也公开了一种膜片/电极组件的运送装置(72)，它包括吸紧碳电极并且防止其侧向滑动的按压元件。因为在冲剪之时该膜片/电极组件的定位、固定和冲剪的确定性得到了提高，并且可以防止在运送过程中该剪切过的膜片/电极组件的位置滑动，因此改善了燃料电池的性能。

Description

燃料电池膜片/电极组件的冲剪方法

本申请是申请号为02813567.9(PCT/JP02/06541)、申请日为2002年6月28并且发明名称为“燃料电池膜片/电极组件的冲剪装置、方法和运送装置”的分案申请。

技术领域

本发明总体涉及燃料电池尤其是燃料电池膜片/电极组件冲剪系统的制造，其中使该燃料电池膜片/电极组件定位且确实固定以便进行冲剪，并且防止在冲剪之后的燃料电池膜片/电极组件的运送过程中的位置偏离，并且本发明涉及燃料电池膜片/电极组件运送装置，通过该运送装置，可以使冲剪步骤和运送步骤平稳地连接，并且平稳地实现从运送步骤到堆积步骤的转移。

背景技术

燃料电池是这样一种电池，即：将相反的原理用于电解水，从而通过在氢和氧之间发生反应，在得到水的过程中获得电流。因为一般情况下，燃料气体可以代替氢气，并且空气或者氧化气体可以代替氧气，所以经常使用燃料气体、空气和氧化气体的术语。

作为这种燃料电池，例如在日本特许公开2000-123848中的“燃料电池”是公知的。该燃料电池的电池结构如图11中所示。

如图11所示，通过将阳极侧电极102和阴极侧电极103粘贴到电解质膜片101的两面，并且用两个隔板104、105将阳极侧电极102和阴极侧电极103夹住，可以制造电池100。用来将作为燃料的氢气供给阳极侧电极102的多个流动凹槽106形成在隔板104上，用来将作为氧化气体的氧气供给阴极侧电极103的多个流动凹槽107形成在隔板105上。通过堆积许多这种结构的电池100，可以获得需要的电压。

参考标号111、112代表密封件(衬垫)，用于将电解质膜片101和隔板104、105之间的间隙密封住。

电解质膜片101是由聚合化合物制成的聚合物电解质膜片(PEM：Polymer Electrolyte Membrane)。该电解质膜片101在下面写作PEM101。

并且，PEM101、阳极侧电极102和阴极侧电极103构成膜片/电极组件108(MEA：Membrane Electrode Assembly)。以下将该膜片/电极组件108写作MEA108。

在上述的日本专利公开文献中，没有描述MEA108的制造方法和运送方法，但是通常公知这样一种方法，其中：[1]将具有比该PEM面积小的阳极侧电极102和阴极侧电极103加压固定到切割成比其最终成型的形状大一些的PEM的前后面上；[2]通过冲剪刀片的切割(冲剪)使PEM的边缘最后成形；[3]用吸紧装置吸紧冲剪过的膜片形式的MEA108，同时将其运送到下一步骤。

本发明人尝试过种制造和运送方法，但在冲剪(最后成形)步骤[2]和运送步骤[3]中，出现了图12A到图12C中所示的多种问题。

图12A到图12C是表示MEA冲剪步骤和跟在冲剪步骤之后的运送步骤的说明图：图12A是表示冲剪过程的剖面图；图12B是表示吸紧操作的剖面图；图12C是表示运送操作的剖面图。

在图12A中，随着将固定有电极102、103的PEM101放置在工作台121上且将其由在图中未示出的定位装置定位，如白色箭头所示的那样，使装有冲剪刀片122的按压装置123下降，并且冲剪PEM101a。为了使其与冲剪之后的PEM101区别开来，使用参考标号101a来代表冲剪之前的PEM。

在图12B中，在完成PEM101的冲剪之后，如白色箭头所示那样使与该按压装置123(见图12A)分开的吸紧装置124下降并且吸紧MEA108。

在图12C中，由吸紧装置124吸紧的MEA108如白色箭头d所示那样地升高，并且如白色箭头e所示那样地运送到随后的堆积步骤。

在图12B中，因为在进行该吸紧操作之前，在图12A中所示的按压装置123和图12B中所示的吸紧装置124在工作台121上进行互换，所以在从冲剪过程到吸紧过程进行转移的时候，这一流程会暂时停止。结果，当在一条生产线上连续地进行MEA108的冲剪和运送之时，可以预料生产率将大大降低。

在该边缘冲剪之后，将其边缘已经被冲剪到预定尺寸的MEA108从进行该边缘冲剪的冲剪台运送到用隔板进行堆积的堆积台。在图12A和图12B中，从由按压装置123冲剪PEM101a之时到由吸紧装置124将其吸紧之时，例如，如果MEA108的位置滑动，那么在其位置仍然滑动时由吸紧装置124运送MEA108，并且在堆积步骤中，必须修正MEA108的位置。结果，会增加制造燃料电池的劳动，并且该燃料电池的生产率会下降。

还有，会出现在图13A和图13B中所示的那种分离的问题。

图13A和图13B是表示MEA冲剪装置和冲剪过程的说明图：图13A是表示在该冲剪过程之前的剖面图，图13B是表示在该冲剪过程之后的剖面图。

在图13A中，首先，其侧面固定有电极102、103的PEM101a(为了使其与冲剪之后的PEM101区别开来，为了方便起见将该冲剪之前的PEM的参考标号写作PEM101a)放置在工作台131上，并且通过例如夹紧元件132将PEM101a的边缘固定到工作台131上。

然后，如箭头所示，装有冲剪刀片122的按压装置123从PEM101a上方下降，并且由冲剪刀片122冲剪PEM101a。

当使用上述的夹紧元件132来固定PEM101a时，当拧紧夹紧元件132时，有时会发生这样的情况，即：夹紧元件132移动并且在膜片状的工件PEM101a中产生折皱，或者夹紧元件132将PEM101a彼此抵靠拉动并且使PEM101a伸长，而有损PEM101a的质量。

并且，当将PEM101a定位在工作台131上之时，因为它是膜片状工件，所以必须使用不损坏它的方法。

还有，当金属离子附着到电极102、103上时，这些金属离子会和电子结合，并且在碳电极上会析出金属。有时会发生这样的情况，即：因为这一原因，析出的金属会阻碍氢和氧之间的反应，并且使燃料电池的性能下降，所以需要防止金属离子附着到电极102、103上，以改善该燃料电池的性能。

在图13B中，当完成冲剪之时，该按压装置123如箭头所示那样升高。

有时会发生这样的情况：冲剪结束的由PEM101和电极102、103构成的MEA108已经如白色箭头所示那样滑向一侧，并且如果在完成冲剪之前发生侧向滑动，那么冲剪的精确度就会下降，并且有损燃料电池的质量。

还有，会发生在图14A、图14B、图15A和图15B中画出的各种问题。

图14A和图14B是表示MEA冲剪装置和冲剪刀片形状的说明图，该冲剪刀片形状影响该冲剪装置的冲剪过程；图14A是表示在冲剪过程之前的剖面图，图14B是表示在冲剪过程中的剖面图。

在图14A中，其侧面上固定有电极的PEM101a放置在工作台131上。接着，在刀片边缘122a内已经出现波纹的冲剪刀片122从PEM101a之上如白色箭头所示那样下降。(为了说明起见，已经放大了在刀片边缘122a内的波纹起伏程度)。

在图14B中，用冲剪刀片122剪切PEM101a。然而，由于在刀片边缘122a内的波纹，所以在PEM101a的剖面内，用相交的阴影线画出的部分没有被剪切。

为了完整地冲剪PEM101a，必须使用更大的推力将冲剪刀片122推压到PEM101a上，并且因为作用在冲剪刀片122上的载荷变大，因此必须提高冲剪刀片122的强度以承受这一载荷，并且将推动该冲剪刀片122的汽缸装置制造得更大。

图15A和15B是表示MEA冲剪装置和冲剪刀片倾斜的说明图，该冲剪刀片的倾斜影响该冲剪装置的冲剪过程；图15A是表示冲剪过程之前的剖面图，图15B是表示在冲剪过程中的剖面图。

在图15A中，其侧面上固定有电极的PEM101放置在工作台131上。

使冲剪刀片135如白色箭头所示那样从PEM101a之上开始下降。

例如，当工作台131的顶面和冲剪刀片135的刀片边缘136的平行度较大时(刀片边缘136与工作台131的顶面成θ角倾斜)，在图15B中，当用冲剪刀片135剪切PEM101a时，在PEM101a的剖面内，用相交的阴影线画出的部分没有被剪切。

因此，为了冲剪PEM101a，按照与参考图14A和14B所说明的方式相同的方式，必须使用更大的推力作用到冲剪刀片135上。

发明内容

本发明在第一方面提供了一种燃料电池膜片/电极组件的冲剪装置，对于通过将具有比作为剪切目标的聚合物电解质膜片面积小的碳电极固定到聚合物电解质膜片的两面上制成的膜片/电极组件来讲，该冲剪装置用冲剪刀片冲剪该聚合物电解质膜片的边缘，它包括：其上放置膜片/电极组件的下部冲模，具有冲剪刀片的上部冲模，以及可以上升/下降地悬挂在该上部冲模上的按压元件，其中，该按压元件设置有吸紧装置，用来吸紧并且夹持一个碳电极。

通过使上部冲模一体地设有冲剪刀片以及设置在按压元件上的吸紧装置，能够随着按压元件将该聚合物电解质膜片压下并且用吸紧装置吸紧碳电极，实现用冲剪刀片进行的冲剪，结果，可以在一单独的系列操作中，平稳且迅速地实现聚合物电解质膜片的压下和切割以及碳电极的吸紧。从而提高燃料电池的生产率。

较好地，该按压元件设置有用来将该聚合物电解质膜片的边缘压下的按压部分和用来容纳一个碳电极的凹槽；在该凹槽的底面上设置有用来吸住碳电极的电极吸孔；在按压部分内设置有用来吸住该聚合物电解质膜片的膜片吸孔。在该聚合物电解质膜片的冲剪过程中，通过用该按压部分压下电解质膜片的边缘，并且用电极吸孔吸住碳电极，用膜片吸孔吸住该聚合物电解质膜片，使得防止该膜片/电极组件的侧向滑动并且确定地夹持该膜片/电极组件成为可能。

用来将按压元件悬挂在上部冲模上的装置最好由下列部件构成，即：在这两个元件之间延伸的导向杆以及将按压元件推压向下部冲模的弹性元件。因为用来将按压元件悬挂在上部冲模上的装置具有导向杆，所以该按压元件能够相对于上部冲模以高精确度地上升和下降。

多孔板需要安装到凹槽的底面上，并且需要使用该多孔板将碳电极吸紧。通过多孔板可以抽吸该凹槽内的空气，并且与用吸紧装置将碳电极局部吸紧的情况相比较，借助分布在整个多孔板上的孔，大致均匀的吸紧力作用在该多孔板的整个表面上，从而能够吸紧碳电极，并且不会损坏该碳电极。因为它是多孔板，所以当吸紧碳电极时在多孔板和碳电极之间的摩擦力可以变大，并且能够进一步改善防止碳电极侧向滑动的效果。

理想的是，通过在下部冲模上设置比膜片/电极组件面积更大的第一支撑元件，并且在该第一支撑元件上设置用来支撑该聚合物电解质膜片边缘的第二支撑元件，而采用这样的结构，即：按照聚合物电解质膜片边缘、第二支撑元件、第一支撑元件的顺序，传递该冲剪刀片的剪切力。如果采用这样的结构，即：由第一支撑元件和第二支撑元件来承受该冲剪刀片的剪切力，那么例如该第一支撑元件和第二支撑元件的材料性能就可以有所不同。如果该第一支撑元件和第二支撑元件之间具有硬度上的差别，那么当用冲剪刀片冲剪该聚合物电解质膜片时，通过使第一支撑元件或者第二支撑元件变形以跟随该冲剪刀片的刀片边缘形状，从而可能通过该第一支撑元件和第二支撑元件，吸收下部冲模和上部冲模的装配误差以及冲剪刀片相对于上部冲模的装配误差。

就是说，如果第一支撑元件或者第二支撑元件制造得相对较硬，那么就能够吸收例如该冲剪刀片自身的尺寸误差这样相对较小的偏差，同时肯定将剪切力传递给该聚合物电解质膜片。如果第一支撑元件或者第二支撑元件制造得较软，那么就能够吸收例如下部冲模和上部冲模的装配误差以及该冲剪刀片相对于下部冲模的装配误差这样的较大偏差。因此，例如通过将具有不同硬度的第一支撑元件和第二支撑元件结合起来，就可能吸收上述部件的尺寸误差和装配误差，并且使整个冲剪刀片与聚合物电解质膜片邻接，并且也可能确定地将冲剪刀片的剪切力传递给该聚合物电解质膜片、第二支撑元件和第一支撑元件。因此，能够用较小的载荷确定地进行该聚合物电解质膜片的冲剪。

最好由弹性体制造该第一支撑元件。如果由弹性体制造第一支撑元件，那么即使当该冲剪刀片的刀片边缘和下部冲模侧之间的平行度已经变大时，当用该冲剪刀片剪切该聚合物电解质膜片的边缘时，该第一支撑元件变形，且整个冲剪刀片能够与该聚合物电解质膜片邻接，并且能够用整个冲剪刀片均匀地切割该聚合物电解质膜片。

可以用比第一支撑元件硬度大的柔软材料来制造第二支撑元件。如果用柔软材料制造该第二支撑元件，那么即使当在冲剪刀片的刀片边缘内已经出现波纹并且该刀片边缘不是直线时，当用该冲剪刀片剪切该聚合物电解质膜片的边缘时，该冲剪刀片能够扎入该第二支撑元件，整个冲剪刀片能够与该聚合物电解质膜片邻接，并且能够用整个冲剪刀片均匀地切割该聚合物电解质膜片。

在第二方面，本发明提供了一种燃料电池膜片/电极组件的冲剪方法，对于通过将具有比作为剪切目标的聚合物电解质膜片面积小的碳电极固定到聚合物电解质膜片的两面上制成的膜片/电极组件来讲，用冲剪刀片冲剪该聚合物电解质膜片的边缘，其中，其底面由非金属板制造的凹槽设置在下部冲模内，并且在碳电极容纳在该凹槽内并且通过该凹槽的两相邻侧壁完成碳电极的定位之后，将该聚合物电解质膜片的边缘吸紧到下部冲模上，并且用该冲剪刀片冲剪该聚合物电解质膜片。

通过将其吸紧到下部冲模上而固定该聚合物电解质膜片的边缘，就没有这样的风险，即：在该聚合物电解质膜片的边缘冲剪过程中，作为膜片状工件的聚合物电解质膜片被损坏，并且能够提高该膜片/电极组件的质量。通过由该凹槽的两相邻侧壁完成该碳电极的定位，能够在不损坏该聚合物电解质膜片和碳电极的情况下实现定位。还有，通过把碳电极容纳在具有由非金属板构成的底面的凹槽内，就没有金属离子附着在碳电极上的危险，并且能够提高燃料电池的性能。

较好的，在该聚合物电解质膜片冲剪之后成为不再需要的部分上实现了该聚合物电解质膜片的吸紧。如果在冲剪之后，将该聚合物电解质膜片的需要部分从下部冲模移动到别处，那么仅仅对于已经变成不需要的聚合物电解质膜片部分来讲，将其放在下部冲模上是可能的，并且如果停止该不需要部分的吸紧，就可以有效地完成从该下部冲模上取下该不需要部分的工作。

在第三方面，本发明提供了一种燃料电池膜片/电极组件的冲剪装置，其中，在冲剪台进行膜片/电极组件的边缘剪切，该膜片/电极组件是通过将具有比聚合物电解质膜片面积小的碳电极固定到该聚合物电解质膜片的两面上制成的，并且为了堆积该边缘剪切过的膜片/电极组件，而将该膜片/电极组件从冲剪台运送到堆积台，它包括：从冲剪台移动到堆积台的滑板；从该滑板延伸的支臂；上部冲模，其悬挂在该支臂上并且具有用于冲剪的冲剪刀片；用来移动该支臂的支臂移动装置；以及连接到该上部冲模上的按压元件，其用于吸紧一个碳电极并且夹持它，从而使其不能侧向滑动。

如果采用这样的结构，即：用来吸紧和夹持碳电极的按压元件装在用来对膜片/电极组件进行边缘剪切的上部冲模上，并且从冲剪时到运送时，用该按压元件吸紧该膜片/电极组件，那么就能够使其仍然保持在冲剪时的状态而将该膜片/电极组件从冲剪台运送到堆积台，且不会有侧向滑动。结果，当在堆积台使用隔板堆积该膜片/电极组件时，就可以防止该膜片/电极组件堆积位置的偏差。因此，当堆积该膜片/电极组件时，不再需要对该膜片/电极组件的位置进行修正，并且能够实现从运送步骤到堆积步骤的平稳转移。

支臂移动装置最好包括：用来沿着垂直方向移动支臂的垂直移动装置，用来水平且沿着直线移动支臂的水平移动装置。如果设置垂直移动装置和水平移动装置，那么支臂的运动就会变成在垂直方向和水平方向的两个方向中的直线运动；支臂的移动距离变短；并且能够缩短运送时间。因此，可以提高该燃料电池的生产率。通过使该水平移动变成直线移动，其与水平移动例如为平面运动的装置相比较，可以将该支臂移动装置制成简单的结构。还有，因为该运动方向为两个方向，那么可以使作用在该膜片/电极组件上的力始终沿着固定的方向；这使得冲击很难作用在运送中的该膜片/电极组件上；并且能够防止在托架内该膜片/电极组件的侧向滑动。

附图说明

图1是根据本发明的燃料电池膜片/电极组件冲剪装置的剖面图；

图2是包括由本发明的MEA冲剪装置执行冲剪工序的制造燃料电池的流程图；

图3A到图3C是表示根据本发明在MEA冲剪装置上进行PEM定位过程的视图，图3A和3B是俯视图，图3C是沿着图3B中的C-C线的剖面图；

图4A和4B是表示由本发明的MEA冲剪装置实现的PEM冲剪过程的视图，图4A是表示冲剪过程的剖面图，图4B是表示吸紧操作的剖面图；

图5是表示根据本发明的MEA冲剪装置的PEM冲剪位置的视图；

图6是表示冲剪过程的视图，其中已经考虑了根据本发明的MEA冲剪装置的冲剪刀片的形状；

图7A和7B表示冲剪过程的动作的示意图，其中已经考虑了根据本发明的MEA冲剪装置的冲剪刀片的倾斜，图7A是表示冲剪过程之前的剖面图，图7B是表示冲剪过程之后的剖面图；

图8是具有本发明的MEA冲剪装置和MEA运送装置的燃料电池制造装置的主视图；

图9是具有本发明的MEA冲剪装置和MEA运送装置的燃料电池制造装置的俯视图；

图10是表示根据本发明的MEA运送装置的操作的视图；

图11是燃料电池组的电池的剖面图；

图12A到图12C是表示MEA冲剪步骤和紧跟在MEA冲剪步骤之后的运送步骤的说明图，图12A是表示冲剪过程的剖面图，图12B是表示吸紧操作的剖面图，图12C是表示运送操作的剖面图；

图13A和图13B是表示MEA冲剪装置和冲剪过程的说明图，图13A是表示在冲剪过程之前的剖面图，图13B是表示在冲剪过程之后的剖面图；

图14A和图14B是表示MEA冲剪装置和冲剪刀片形状的视图，该冲剪刀片的形状影响到由该冲剪装置实现的冲剪过程，图14A是表示在冲剪过程之前的剖面图，图14B是表示在冲剪过程之后的剖面图；

图15A和图15B是表示MEA冲剪装置和冲剪刀片倾斜的视图，该冲剪刀片的倾斜影响到由该冲剪装置实现的冲剪过程，图15A是表示在冲剪过程之前的剖面图，图15B是表示在冲剪过程之后的剖面图。

具体实施方式

如图1中所示，构成冲剪台的膜片/电极组件冲剪装置10(下面写作“MEA冲剪装置10”)由下列部件组成，即：下部冲模14，在其上放置聚合物电解质膜片13a(下面写作“PEM13a”；像这样，该冲剪之前的PEM被写作PEM13a，以便使其与将在后面进一步讨论的冲剪之后的PEM13区别开来)，该聚合物电解质膜片13a具有加压固定到其两面上的碳纸制成的碳电极11、12；上部冲模16，其具有用来切掉PEM13a的边缘(即冲剪PEM13a)的冲剪刀片15；吸紧/夹持装置17，其作为与上部冲模16连接的按压件，用于吸紧并且夹持碳电极12和PEM13a；以及用来使上部冲模16下降的汽缸装置18。

该下部冲模14由下列部件构成，即：工作台部分21，它们成对作为使PEM13a定位的部分；下模支撑部分22，其支撑该工作台部分21；以及下模吸紧部分23，其吸紧PEM13a的外围。

工作台部分21由下列部件构成，即：下部支撑元件25，其用作设置在下模支撑部分22的底部22a上的第一支撑部分；上部支撑元件26，其用作设置在该下部支撑元件25顶部上的第二支撑元件，PEM13a放在其上。构成用于将碳电极11定位的凹槽的定位容纳部分27设置在上部支撑元件26的中间，作为非金属板的树脂板28布置在下部支撑元件25的顶部和定位容纳部分27的下面。

该下部支撑元件25由例如聚亚安酯的泡沫状弹性材料制造，并且上部支撑元件26由例如PET(聚对苯二甲酸二醇酯)的柔软材料制造。树脂板28是防止碳电极11与下部支撑元件25接触的元件，从而当金属离子附着到下部支撑元件25上时，金属离子不能附着到碳电极11上。

如果金属离子附着到碳电极11上，那么这些金属离子会与电子结合，并且在碳电极11上析出金属。因为这一原因，有时会发生析出的金属阻碍了氢和氧之间的反应，并且降低该燃料电池的性能。

下模吸紧部分23由设置在工作台部分21内的吸口31和通过接头32分别与这些吸口31连接的连接管33构成，并且通过将这些连接管33连接到在图中未示出的抽风机上，通过吸口31抽吸空气，且将PEM13a吸紧。

冲剪刀片15在俯视图中为近似矩形，并且作为在碳电极11、12的外侧切下PEM13a的边缘的元件。

该上部冲模16由冲剪刀片15和安装该冲剪刀片15的冲剪刀片安装部分35构成。

吸紧/夹持装置17通过连杆36连接到冲剪刀片安装部件35上，该吸紧/夹持装置17压下并将PEM13a定位以进行PEM13a的冲剪，并防止在冲剪之后的运送过程中PEM13a的侧向滑动，该连杆36作为导向杆并且由作为插入在其自身和冲剪刀片安装部件35之间的弹性元件的弹簧37向下压，并且该吸紧/夹持装置17由下列部件构成，即：用于在冲剪过程中向下压PEM13a的按压部分41；向内设置在该按压部分41内的第一凹槽部分42；衬垫43，作为由布置在该第一凹槽部分42内的多孔材料制成的多孔板；第一上模吸紧部分44，其用作借助该衬垫43吸紧碳电极12的吸紧装置；以及第二上模吸紧部分45，用来将PEM13a吸紧在按压部分41的位置上。17a表示设置在冲剪刀片安装部分35上用来引导连杆36的导向孔；17b表示用于连接管48、52通过的通孔；并且43a是设置在该衬垫43下部用来接纳碳电极12的第二凹槽。

该衬垫43由多孔的树脂材料制成并且具有透气性，另外其也用来防止金属离子附着在碳电极12上，就如上面描述的下部冲模14的树脂板28一样。

第一上模吸紧部分44由作为设置在第一凹槽部分42底部内的电极吸孔的吸紧孔47和通过接头32连接到该吸紧孔47上的连接部分48构成，并且通过将该连接部分48连接到图中未示出的抽风机上，就会通过衬垫43和吸紧孔47抽吸在第一凹槽部分42内的空气，以吸紧碳电极12。

第二上模吸紧部分45由作为设置在按压部分41内的膜片吸孔的吸紧孔51和通过接头32分别连接到这些吸紧孔51上的连接管52构成，并且通过将这些连接管52连接到图中未示出的抽风机上，就会通过吸紧孔51抽吸空气，以吸紧PEM13。

汽缸装置18由下列部件构成：汽缸本身61；在图中未示出的活塞，其可移动地容纳在该汽缸61中；与该活塞连接的活塞杆62；以及连接到该活塞杆62下端的按压部分63。

下面将要描述包括由上述的MEA冲剪装置10进行的MEA冲剪过程在内的制造燃料电池的要点。

接下来，参考图2来描述包括由本发明的MEA冲剪装置进行的冲剪过程在内的燃料电池制造流程。STxx表示步骤。

ST01：将固定有碳电极的PEM放置在下部冲模上

ST02：将PEM定位

ST03：将PEM剪切制成MEA

ST04：将MEA运送到堆积台

ST05：将密封材料涂敷到隔板上

ST06：将涂敷有密封材料的隔板和MEA堆积制成电池。通过像这样堆积多个电池，可以获得具有需要电压的燃料电池组。

现在参考图3A到图3C来详细描述上述的步骤ST01到ST03。

首先，在图3A中，固定有碳电极11、12(碳电极11在PEM13a的背面上)的PEM13a放置在下部冲模14的工作台部件21上。

在图3B和图3C中，该碳电极11的两侧面与该工作台部分21的定位接纳部分27的两侧壁27a、27b邻接，从而实现碳电极11相对于工作台部分21的定位，也就是PEM13a相对于工作台部分21的定位(在图3B中，为了便于描述起见，没有画出碳电极12)。

通过这样用定位接纳部分27的两相邻侧壁27a、27b实现的碳电极11的定位，可以不损坏PEM13a和碳电极11并且简单和更加精确地实现定位。

接下来，参考图4A和图4B来描述由本发明的MEA冲剪装置进行的PEM冲剪过程的操作。

在如图3所示完成PEM13a相对于工作台部分21的定位之后，开始由图1所示的下模吸紧部分23实施对PEM13a边缘的吸紧，并且在该吸紧状态下操作汽缸装置18，并且如图4A所示，使该汽缸装置18的按压部分63从图1的状态开始下降，并且将该上部冲模16的冲剪刀片安装部分35向下压。

结果是，碳电极12容纳在第二凹槽43a内，在弹簧37的弹性力的作用下由吸紧/夹持装置17的按压部分41压下PEM13a，并且在这之后，由冲剪刀片15冲剪PEM13a的边缘。

在此，冲剪边缘之前的MEA被写作MEA65a(见图4A)，并且其边缘被冲剪的PEM13和碳电极11、12的组件被称作膜片/电极组件65，或者称作MEA65。

在PEM13a的边缘冲剪过程中以及冲剪之后，由第一上模吸紧部分44吸紧碳电极12，由第二上模吸紧部分45吸紧PEM13a。

此时，当通过衬垫43由第一上模吸紧部分44将碳电极12吸紧时，由于箭头N所示的抽吸产生的力(这个力被称作力N)作用在碳电极12的顶面上，并且当处于该状态时，碳电极12趋于在衬垫43的表面上产生侧滑，由于该力N的作用，在碳电极12和衬垫43之间产生由箭头F1或者箭头F2所示的摩擦力F1或者摩擦力F2。

就是说，沿着碳电极12的运动方向的反方向产生一个摩擦力，所以，如果碳电极12趋向于相对衬垫43滑向右侧，那么产生一个摩擦力F1，如果碳电极12趋向于相对衬垫43滑向左侧，那么产生一个摩擦力F2。

这样，通过上述的摩擦力F1或者摩擦力F2，可以防止在冲剪过程中碳电极12的侧向滑动以及由此引起的MEA65a的侧向滑动。因此，能够提高冲剪精确度，并且提高该燃料电池的质量。

在PEM13a的边缘冲剪之后，如图4B所示，汽缸装置18的按压部分63升高，并且因此上部冲模16升高。在第一上模吸紧部分44和第二上模吸紧部分45的地方，为便于运送碳电极11、12和PEM13而将它们继续吸紧，并且将它们运送到堆积台(未示出)。

如上述的图4A和图4B所示，如果在MEA冲剪装置10内能够防止MEA65a的侧向滑动，那么当MEA65从该冲剪步骤被运送到下一步骤，(例如通过隔板将MEA65堆积起来的堆积步骤)直到距离MEA冲剪装置10预定距离的堆积台时，通过控制其以高精确度地移过该距离，就能够以高精确度实现MEA65在堆积台的定位，甚至不用特别在该堆积台进行定位。

在停止由下模吸紧部分23进行的吸紧之后，从下部冲模14上取下从PEM13上切下且不再需要的框状元件13b。

在现有技术中，因为已经不再进行该框状元件13b的吸紧，所以会发生这种情况，即：当从下部冲模14上移走MEA65时，框状元件13b和MEA65一起移动，或者散布到远离下部冲模14的位置，结果使它的去除变得麻烦。在该实施例中，通过吸紧该框状元件13b，能够自始至终将框状元件13b保持在固定位置上，并且如果停止PEM 13a的吸紧，那么可以有效地实现框状元件13b从下部冲模14上的去除操作。

在图5中，使用位于虚线67所示位置的图4A中的冲剪刀片15冲剪PEM13a。该冲剪位置是在碳电极11、12的轮廓外侧的一部分(在图中没有画出在背面上碳电极11)。

在图6中，当冲剪PEM13a的边缘时，即使例如在该冲剪刀片15的刀片边缘15a内已经形成波纹，那么因为下部冲模14的上部支撑元件26由柔软材料制造，所以冲剪刀片15的刀片边缘15a也会扎入该上部支撑元件26内，并且该刀片边缘15a的波纹的最上面部分(例如A点)能够到达PEM13a的底面之下，并且能够使用整个的刀片边缘15a来切割PEM13a。因此，甚至使用较轻的载荷也能够确定地冲剪PEM13a。

在图7A中，例如当上部冲模16的冲剪刀片15的刀片边缘15a相对于下部冲模14的工作台部分21的顶面(上部支撑元件26的顶面)倾斜角度θ且刀片边缘15a为直线时，即当工作台部分21和冲剪刀片15的刀片边缘15a的平行度较大时，如图7B所示，当冲剪PEM13a时，为弹性体的下部支撑元件25的压缩局部变大，并且上部支撑元件26和PEM13a的各自顶面跟随冲剪刀片15的刀片边缘15a，并且该刀片边缘15a与PEM13a的整个表面邻接。结果，使用较小的载荷就可以确定地冲剪PEM13a。

因为大载荷没有作用在该冲剪刀片15上，如图6、图7A和图7B中清楚显示的那样，所以能够抑制在该冲剪刀片15上的摩擦。因为该MEA冲剪装置10(见图1)的各个元件的强度仅需要较小即可，并且不需要将向下推压冲剪刀片15的汽缸装置18(见图1)制造得很大，所以能够降低该MEA冲剪装置10的制造成本。

如图8中所示，燃料电池制造装置70由下列部件组成，即：构成冲剪台的MEA冲剪装置71；MEA运送装置72；构成堆积台的堆积部分73；以及这些部件放在其上的底座部分74。该MEA冲剪装置71在其部分结构上与图1中所示的MEA冲剪装置10不同，但是它的基本结构是相同的，并且相同的部分被给予相同的参考标号，且省略它们的详细描述。

MEA冲剪装置71由下列部件构成，即：下部冲模14，上部冲模16，作为吸紧/夹持工具的吸紧/夹持装置17，以及用来使上部冲模16下降的汽缸装置76。

该汽缸装置76由下列部件构成，即：汽缸本身61，在图中未示出的活塞，活塞杆62，以及连接到该活塞杆62的下端的按压部分77。

上部冲模16通过连杆36和弹簧37浮动在该吸紧/夹持装置17上。

MEA运送装置72由下列部件构成，即：作为水平移动机构的滑板78，以便从MEA冲剪装置71的位置移动到堆积部分73；通过立柱79连接到该滑板78上的支臂81、81；以及支臂上升/下降电机82，用于使这些支臂81、81上升和下降。

堆积部分73具有堆积工作台93，其作为将隔板91和MEA65堆积在其上的工作台，并且设置有在图中未示出的定位部分，以便将隔板91固定在该堆积工作台93上。

滑板78由下列部件构成，即：铺设在底座74上的导轨部分84；在该导轨部分84上移动的移动体85；以及水平驱动电机86，其构成该移动体85的驱动源。

支臂81通过吸紧/夹持装置17悬挂在上部冲模16上。

支臂上升/下降电机82装在立柱79的上后部。

立柱79、支臂81和支臂上升/下降电机82构成垂直运动机构87。

以及，支臂上升/下降电机82和水平驱动电机86构成支臂运动装置88。

参考图9，支臂上升/下降电机82装在立柱79的背后，并且水平驱动电机86装在导轨部件84的端部背后。该支臂上升/下降电机82的输出轴通过由丝杠和螺母构成的进给装置连接到支臂81、81上。该水平驱动电机86的输出轴通过由丝杠和螺母构成的进给装置连接到移动体85上。

接下来，参考图10来说明上述的MEA运送装置72的操作。

在完成使用MEA冲剪装置71对MEA65a(见图8)的冲剪之后，由第一上模吸紧部分44吸紧MEA65的碳电极12，并且由第二上模吸紧部分45吸紧PEM13。即，随着MEA65被吸紧，操作该支臂上升/下降电机82，并且，该吸紧/夹持装置17和上部冲模16与支臂81、81一起如白色箭头h所示那样地升高。

接下来，操作水平驱动电机86，并且通过滑板78，立柱79、支臂81、81、吸紧/夹持装置17和上部冲模16如白色箭头j和k所示水平地移动。

此后，当吸紧/夹持装置17和上部冲模16已经移动到(上述的)堆积部分73之上时，操作支臂上升/下降电机82，并且与支臂81、81一起，吸紧/夹持装置17和上部冲模16如白色箭头m所示那样下降；MEA65放置在隔板91上，该隔板91已经放在堆积工作台93上；停止由第一上模吸紧部分44和第二上模吸紧部分45对MEA65的吸紧；从而将MEA65堆积在隔板91上。

这样，一个电池就由两个隔板91(一个隔板91在图中没有画出)制成，并且多个电池堆积起来构成燃料电池组。

如图8中所示，因为MEA运送装置72具有吸紧/夹持装置17，所以如果从冲剪之时到运送之时由吸紧/夹持装置17吸紧MEA65(或者MEA65a)，那么就能够从作为冲剪台的MEA冲剪装置71将MEA65运送到作为堆积台的堆积部分73，仍然保持在冲剪之时的状态，不会侧向滑动，并且可以防止在通过堆积部分73将MEA65和隔板91堆积在一起过程中MEA65的堆积位置的偏离。

结果，当堆积MEA65时，不再需要修正MEA65的位置，并且能够从运送步骤到堆积步骤进行平稳的转移。作为其结果，可以改善燃料电池的制造性能。

如图8中所示，作为具有垂直运动装置87的MEA运送装置72和作为水平运动装置的滑板78的效果，具有两个运动方向，结果使作用在MEA65上的力的方向始终沿着固定的方向；其能够使冲击很难作用到运送中的MEA 65上；并且可以防止在托架上MEA的侧向滑动。因此，当堆积MEA65时，不必修正MEA65的位置，并且能够从运送步骤到堆积步骤实现平稳的转移。

因为如上所述，燃料电池制造装置70完整地具有构成冲剪台的MEA冲剪装置71、MEA运送装置72和构成堆积台的堆积部分73，所以能够在一个单独的系列操作中平稳地实现冲剪步骤、运送步骤和堆积步骤，并且能够有效地进行燃料电池的制造。因此，可以提高燃料电池的生产率，降低燃料电池的制造成本，并且可以有助于例如由燃料电池驱动的电机提供动力的车辆以及家用发电机系统的推广。

作为替换实施方式，用于将按压元件悬挂在上部冲模上的机构可以构造成具有设置在这两个元件之间的连接机构和用来将按压元件推向下部冲模的弹性元件。

除了树脂之外，在该实施例中的非金属板的材料也可以是橡胶、玻璃、陶瓷或者石头。

虽然在该实施例中，将多孔板装在凹槽的底面上，但是本发明不限于此，代替多孔板的凹槽形状的储气器可以设置在树脂板元件的吸紧装置侧面上，多个小孔设置成从该储气器穿透到电极侧面，并且该树脂板元件连接到在上部冲模中的凹槽底面上。

并且，虽然在该实施例中，使用第一支撑元件和第二支撑元件可以吸收在PEM冲剪之时MEA冲剪装置的各个部件的尺寸误差和装配误差，但是本发明不限于此，作为替换实施形式，通过例如球窝接头的自由接头可以将冲剪刀片15连接到上部冲模16上，或者，通过弹性元件或柔软元件将冲剪刀片15连接到上部冲模16上，从而吸收这些误差。

还有，虽然在该实施例中，由MEA运送装置将MEA从冲剪台移动到堆积台，但是本发明不限于此，作为替换实施形式，它可以制造成这样一种结构，其中，MEA冲剪装置的下部冲模和堆积部分构造成这样，即：它们能够沿着直线在水平移动装置上移动，并且在MEA的冲剪之后，由吸紧/夹持装置吸紧MEA且通过垂直移动装置使其升高，并使下部冲模从MEA之下移动到别处，并且使堆积部分移动到MEA的正下方，使用垂直移动装置使由吸紧/夹持装置吸紧的MEA下降，从而堆积隔板和MEA。

当采用这种结构时，因为吸紧MEA的吸紧/夹持装置只能沿着垂直方向移动，所以可以使该移动方向成为单独的方向，并且仍然能够较好地防止MEA的位置偏离。

工业实用性

在本发明中，膜片/电极组件冲剪装置由下列部件构成，即：放置膜片/电极组件的下部冲模；上部冲模，其具有冲剪刀片，以及按压元件，该按压元件可上升/下降地悬挂在上部冲模上，并且吸住碳电极；以及运送装置，其设置有吸紧/夹持元件，以便吸紧碳电极并且夹持它，从而使其不能侧向滑动。就该结构来说，因为在燃料电池膜片/电极组件的冲剪之时定位、固定和冲剪的确定性增加，并且能够防止在冲剪过的膜片/电极组件运送过程中的位置滑动，所以可以改善燃料电池的性能。就这种结构来讲，能够平稳地将冲剪步骤和运送步骤连接起来，并且使从运送步骤到堆积步骤的转移变得平稳，结果可以提高燃料电池的生产率。因此，本发明在用于车辆的电动机和家用发电机系统中的燃料电池的制造中是有用的。

Claims (2)

1、一种燃料电池膜片/电极组件的冲剪方法，对于通过将具有比作为剪切目标的聚合物电解质膜片面积小的碳电极固定到聚合物电解质膜片的两面上制成的膜片/电极组件来讲，用冲剪刀片冲剪该聚合物电解质膜片的边缘，

其特征在于，在下部冲模内设置有其底面由非金属板制造的凹槽，并且在碳电极容纳在该凹槽内并且通过该凹槽的两相邻侧壁完成碳电极的定位之后，将该聚合物电解质膜片的边缘吸紧到下部冲模上，并且用该冲剪刀片冲剪该聚合物电解质膜片。

2、根据权利要求1所述的燃料电池膜片/电极组件的冲剪方法，其特征在于，在该聚合物电解质膜片冲剪之后，在成为不再需要的部分上实现该聚合物电解质膜片的吸紧。

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