专利名称：用于简化制造具有薄膜材料装置的夹具和方法
技术领域：
本发明通常涉及用于制造具有一个或多个固定于薄膜，例如薄膜垫片上的元件的装置的夹具和方法。特别地，本发明提供用于制造膜电极组件元件的方法和装置，其用于具有装配在薄膜垫片上的电极的燃料电池。
背景技术：
薄膜类材料应用于许多不同类型的工业，例如尤其用于照相和X射线底片产品和方法、薄膜产品和方法、包装、印刷和电子设备。当搬运这些材料时，由于薄膜类材料的薄、可变形和通常易碎性，通常需要专门的考虑，例如防止裂缝、扭曲和破裂，并且在组装时需要保证适当的方向和对齐方式。
薄膜类材料搬运中经常出现问题的是燃料电池领域，例如当装配于薄膜垫片上的电极组件搬运和组装时，在膜电极组件(或MEUs)中出现。MEAs通常由几层薄材料(也就是说，具有约0.001英寸厚度的材料)组成，其通过层-层对齐组装或具有千分之几英寸的准直容差。在某些MEAs中，MEA通常包括两层垫片材料、两个电极和一个隔膜，例如质子交换隔膜(PEM)。这些元件通常切削到适当的尺寸，并在千分之几英寸的尺寸公差下组装。现有技术中MEA装配工艺通常由几个不同操作组成，其必须在指定顺序进行，加工时通常需要材料在装配站之间运输。元件MEA，例如薄垫片、薄电极和薄膜的搬运通常受制于这些薄材料的特征柔软性和易碎性。当MEAs和MEA元件的组件通常阻碍元件在工作台之间传输时的重复定位和复位时，在元件间需要高容许偏差的队列或对齐。
根据现有技术，MEAs通常用手一次一个组装。为了使燃料电池经济可行，最好是自动制造和组装MEAs元件和MEAs本身。然而现有所技术中，多层薄膜材料的传输和对齐(也就是说，队列)存在特别困难的挑战。根据本发明的一个方面，提供了制造夹具和制造方法，其克服了现有技术中MEAs元件制造方法的缺点，其尤其有利于使制造过程自动化。
发明概述本发明提供解决现有方法和装置中许多限制的方法和装置。
本发明的一个方面为用于简化燃料电池膜电极装置制造的夹具，所述夹具包括有孔平板；和用于将垫片装配到平板的装置，其中该垫片至少部分阻塞小孔；其中至少部分阻塞小孔的垫片部分提供一个表面，以装配至少一个用于燃料电池膜电极装置的电极。在本发明的一个方面，用于将垫片装配到平板的装置包括将垫片以可拆卸方式装配到平板的装置。在本发明的一个方面，将垫片装配到平板的装置包括机械装置、粘合装置、磁性装置和真空装置中的至少一种。例如，机械装置尤其包括软焊、硬焊、熔焊和机械紧固；粘合装置包括胶水、环氧基树脂和胶带；磁性装置包括使用一个或多个磁铁或磁化表面；真空装置包括使用得自真空源的真空。在本发明的一个方面，用于将垫片装配到平板的装置包括至少一个磁铁。在本发明的另一方面，用于将垫片装配到平板的装置此外包括至少一个铁磁平板，其被吸引到至少一个磁铁。在本发明的一个方面，夹具此外包括至少一个平板上的真空孔，其有效连接到真空源。在本发明的另一方面，其中所述夹具进一步包括至少一个真空通道，其与至少一个真空孔流体相通。在本发明的一个方面，平板包括金属和非金属材料中的至少一种，例如复合材料。在本发明的另一方面，垫片包括具有不到约500微米厚度的薄膜垫片。在本发明的另一方面，垫片包括具有不到约200微米厚度的薄膜垫片。
本发明的另一方面为一种使用包括有孔第一平板的夹具来简化燃料电池膜电极组件制造的方法，所述方法包括以下步骤a)提供一种薄膜垫片；b)将薄膜垫片装配到第一平板，其中薄膜垫片至少部分阻塞小孔；c)向薄膜垫片引入孔；和d)在薄膜垫片的孔上装配电极，以提供装配于第一平板的第一垫片电极；其中所述垫片电极用于燃料电池膜电极组件。在本发明的一个方面，第一平板还包括将薄膜垫片装配到第一平板的装置，并且其中b)将薄膜垫片装配到第一平板包括使用将薄膜垫片装配到第一平板的装置装配薄膜垫片。在本发明的另一方面，在薄膜垫片引入孔的步骤c)包括在薄膜垫片引入四边形孔，例如在薄膜垫片上通过冲切形成孔。在本发明的一个方面，在薄膜垫片引入孔的步骤c)包括在薄膜垫片上引入多个孔。在本发明的另一方面，在薄膜垫片的孔上装配电极的步骤d)包括d1)重叠电极和薄膜垫片至少一部分，和d2)加热和加压该重叠部分，以提供薄膜垫片重叠部分和电极重叠部分之间的粘合。在本发明的一个方面，加热和加压的步骤d2)包括加热到至少约100℃和加压到至少约100psi。
在本发明的另一方面，该方法进一步包括重复步骤a)-d)以提供装配于第二平板的第二垫片电极。在本发明的一个方面，该方法还进一步包括在第一垫片电极和第二垫片电极之间设置交换膜，和在交换膜附近封接第一垫片电极和第二垫片电极，以产生封接的垫片电极-隔膜-电极组件。在本发明的一个方面，封接包括将第一垫片电极和第二垫片电极暴露于一定温度和压力，其中第一垫片电极和第二垫片电极附着于交换膜。在本发明的另一方面，该方法进一步包括层压垫片电极-隔膜-电极组件，例如将第一垫片电极和第二垫片电极的至少部分垫片暴露于一定温度和压力，由此部分垫片互相粘合。在本发明的一个方面，当组装成燃料电池组时，该方法此外包括向垫片电极-隔膜-电极组件的垫片引入一个孔，以提供气体通道。在本发明的另一方面，该方法此外包括在燃料电池堆中设置垫片电极-隔膜-电极组件。
在本发明的一个方面为用于简化具有薄膜装置制造的夹具，所述夹具包括有孔平板；用于装配薄膜到平板的装置，其中该薄膜至少部分阻塞孔；其中至少部分阻塞孔的部分薄膜提供用于装配装置至少一个元件的表面。在本发明的一个方面，将薄膜装配到平板的装置包括以可拆卸方式将薄膜装配到平板的装置，例如机械装置、磁性装置和真空装置中的至少一种。在本发明的另一方面，用于将薄膜装配到平板的装置包括至少一个磁铁。在本发明的另一方面，用于将薄膜装配到平板的装置此外包括至少一个铁磁平板，其被吸引到至少一个磁铁。在本发明的一个方面，夹具此外包括至少一个平板上的真空孔，其有效连接到真空源。在本发明的另一方面，其中所述夹具进一步包括至少一个真空通道，其与至少一个真空孔流体相通。在本发明的一个方面，平板包括金属和非金属材料中的至少一种，例如复合材料。在本发明的一个方面，薄膜包括厚度不到约1毫米的薄膜。在本发明的另一方面，薄膜包括具有不到约500微米厚度的薄膜。在本发明的另一方面，薄膜包括具有不到约200微米厚度的薄膜。
本发明的另一方面为一种使用包括有孔第一平板的夹具简化具有薄膜的装置的制造的方法，所述方法包括以下步骤a)提供薄膜；b)将薄膜装配到平板，其中薄膜至少部分阻塞小孔；c)将装置的至少一个元件装配到薄膜以提供具有平板支撑的薄膜的元件；d)在平板支撑下，将具有薄膜的元件进行其它处理；和e)将具有薄膜的元件装配到装置中。
在本发明的一个方面，该方法另外包括步骤f)向薄膜引入至少一个孔，例如在薄膜上通过冲切得到孔。在本发明的另一方面，平板还包括将薄膜装配到该平板的装置，并且其中b)将薄膜装配到该平板包括使用将薄膜装配到平板的装置装配薄膜。在本发明的一个方面，该平板至少包括一个磁铁，并且步骤b)装配薄膜到平板包括在至少一个磁铁上设置薄膜，以及在薄膜和至少一个磁铁上放置铁磁平板。在本发明的另一方面，在薄膜上装配装置的至少一个元件的步骤c)包括c1)重叠元件和薄膜的至少一部分，和c2)加热和加压该重叠部分，以提供薄膜重叠部分和元件重叠部分之间的粘合。在本发明的一个方面，加热和加压的步骤c2)包括加热到至少约100℃，和加压到至少约100psi。
与现有技术相比，本发明的这些或其它实施方案和方面以及其优点参考以下所述的附图和权利要求将变得更加清晰可见。
附图简述本发明的主题将在说明书的结论部分详细地指出和明确提出。然而本发明实施的体制和方法，及其进一步目标和优点将参考如下优选实施方案的详细说明和附图理解，其中
图1为根据本发明一个方面用于夹持薄膜的夹具的透视图。
图2A、2B和2C为根据本发明一个方面沿着图1中直线2-2观察得到的如图1所示夹具的横剖面图。
图3为根据本发明一个方面用于夹持薄膜的夹具的分解透视图。
图4为根据本发明一个方面如图3所示夹具的组装透视图。
图5为根据本发明一个方面如图4所示多余部分薄膜已经剪裁的夹具的组装透视图。
图6为根据本发明一个方面夹持有孔薄膜的夹具的透视图。
图7为根据本发明的一个方面，表示电极在薄膜上放置的沿着图6中直线7-7观察得到的如图6所示夹具的剖视图。
图8为根据本发明一个方面与图7类似表示电极在薄膜上装配的剖视图。
图9为根据本发明一个方面具有两个如图8所示夹具和一个薄膜的组件的分解透视图。
图10为根据本发明一个方面组装的图9所示夹具的透视图。
图11为根据本发明一个方面沿着图10中直线11-11观察得到的如图10所示夹具的剖视图。
图12为根据本发明的一个方面如图11所示电极-隔膜-电极组件在封接之前的详图。
图13为根据本发明的一个方面如图11所示电极-隔膜-电极组件封接后的详图。
图14为根据本发明一个方面如图10所示引入气体通道的夹具的透视图。
图15为根据本发明的一个方面从如图14所示的夹具中移开后膜电极组件的透视图。
图16为根据本发明的一个方面具有一个单独的孔和多个电极的夹具的平面图。
图17为根据本发明的一个方面具有多个孔和单电极的夹具的平面图。
图18为根据本发明的一个方面具有多个孔和单电极的另一夹具的平面图。
图19为根据本发明的一个方面具有一个圆孔和单个圆形电极的圆形夹具的平面图。
图20为根据本发明的一个方面具有一个圆孔并具有简化薄膜到夹具装配的装置的夹具的平面图。
图21为根据本发明一个方面沿着图20中直线21-21观察得到的如图20所示夹具的剖视图。
优选方案的详细说明图1表示根据本发明一个方面的夹具10的透视图。夹具10包括有孔14的平板12和用于装配薄膜类材料18的装置16，例如至少部分覆盖孔14的薄膜垫片材料。根据本发明的这个方面，夹具10提供用于装配、转移或控制装配在薄膜类材料上元件的平台。根据本发明的一个方面，夹具10可以用来装配、转移或控制燃料电池组件中使用的元件，所述元件装配在薄膜垫片上，例如装配于薄电介质垫片的织物-电极。然而，本发明可以用于任何工业，以在制造或使用组件期间简化装配于薄膜的元件的搬运。所述工业包括但不限于半导体工业、医药工业、食品搬运工业、原材料工业、材料装卸工业、化学工业、摄影工业、印刷工业、专业服装工业(例如有害物质保护装置)和飞行器制造工业(例如用于复合材料制造)。
根据如图1所示的本发明的一个方面，平板12可以为任意材料的平面薄片，例如提供硬度以最小化变形以及轻质量以简化搬运的材料。平板12可以由以下材料制备木材，例如硬材板或夹板；玻璃；金属，例如钢、不锈钢、铝或钛；塑料，例如聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯或聚酯；或复合材料，例如由Bennington，Vermont的VermontComposites提供的碳纤维复合材料。平板12还可以具有多种形状以提供预期的硬度和低重量，例如，平板12可以包括增强肋条，也就是说纵向或横向肋条；或者平板12可以为具有内在空腔结构或硬化剂，例如蜂窝铝或其它挤出或装配式结构。
附图中所示本发明不同方面的说明用来尽可能清楚的说明本发明的各个方面。由于部分结构在剖面上相对薄，例如图1中的薄膜18，为了清楚起见，这些结构的尺寸(最值得注意的是厚度)可能被放大，也就是说没有按比例制图。说明书文本提供了大多数结构的尺寸范围，当附图中的绘图不允许度量时应当信赖这些尺寸范围。
平板12的尺寸可以根据夹具10所搬运的元件的尺寸变化。根据实际应用，平板12可以具有约1英寸(25.4毫米)-约20英尺(约6米)的长度和宽度。例如在本发明用于搬运燃料电池MEAs元件的方面，平板12可以具有约1英尺(约300毫米)-约6英尺(约2米)的长度和宽度。在本发明的一个方面，平板12具有约2英尺(约610毫米)-约4英尺(约1.2米)的长度，和1英尺(约300毫米)-约3英尺(约914毫米)的宽度。平板12的厚度还可以根据夹具10所搬运的元件的构成材料和重量很大不同。平板12的厚度可以为约1毫米(0.039英寸)-约100毫米(约4英寸)，并且通常为约3毫米(约0.125英寸)-约12毫米(约0.50英寸)。
根据夹具10所搬运物品的尺寸、重量和元件数量，孔14可以具有任何尺寸和形状。孔12可以为矩形、正方形、圆形、三角形或椭圆形，以及其它形状。根据本发明的一个方面，一个以上的孔14可以提供于平板12(例如参见图16和17)。根据本发明的一个方面，孔14包括位于平板12中部的单孔。根据本发明的另一方面，一个或多个孔14可以偏离平板12的轴线。
薄膜类材料18可以为任何可以用于装配元件的材料。薄膜18可以为金属或非金属膜或板，例如薄膜18可以为金属箔，例如金、铝、锡或钢箔。薄膜18可以为塑料或聚合薄膜，例如聚乙烯(PE)或聚酯(PET)。在本发明的一个方面，薄膜18可以为大量高温稳定聚合物的任意一种，例如聚酰亚胺薄膜，例如Dupont公司出售的商标为Kapton的聚酰亚胺薄膜。在本发明的一个方面，薄膜18可以为聚醚酮(例如PEK、PEEK等等)或聚四氟乙烯(PTFE或FEP)族中的任意一种，其可以在MEA中用作电介质垫片材料。根据本发明，根据夹具10所搬运的元件，薄膜18还可以具有较大范围的厚度。在本发明的一个方面，薄膜18可以具有约1微米(约0.00004英寸)-约500微米(约0.020英寸)的厚度，并优选具有约25微米(约0.001英寸)-约200微米(约0.008英寸)的厚度。
当薄膜18进行预期的搬运装卸时，用于装配薄膜类材料18的装置16可以包括任何能够将薄膜18保持在夹具10上的结构。装置16的三个实施方案在图2A、2B和2C中说明。图2A、2B和2C表示以图1中所示沿着直线2-2观察得到的装置16的横剖面图。根据本发明的一个方面，如图2A所示，装置16包括多个机械紧固件，例如螺钉20和垫圈22以及一个或多个固定板24。在本发明的一个方面，螺钉22旋进平板12上的螺纹孔26，并且螺钉20、垫圈22和一个或多个固定板24将薄膜18夹持在平板12上孔14的周围。在本发明的一个方面，除了螺钉22之外，螺母和螺杆可以用来夹持薄膜18。根据夹具10的尺寸和夹具10夹持的元件的尺寸和重量，平板24的长度和厚度可以不同。例如，平板24的宽度可以为0.125英寸(约3毫米)-约3英尺(约1米)。在本发明的一个方面，当本发明用来搬运燃料电池MEAs元件时，平板24的宽度可以为约0.5英寸-约3英寸，例如约1-约2英寸。平板24的厚度可以为约0.1毫米(约0.004英寸)-约50毫米(约2英寸)，并且通常为约0.5毫米(约0.02英寸)-约5毫米(约2 0.2英寸)。在本发明的一个方面，平板24具有约1英寸(约25.4毫米)的宽度和约0.5毫米(约0.02英寸)的厚度。
在如图2B所示的本发明的一个方面，装置16B沿着平板12上的孔14夹持薄膜18。在本发明的这个方面，装置16B包括一个或多个磁铁28和一个或多个夹持薄膜18的铁磁平板30。一个或多个磁铁28可以为任意常规磁铁，包括永久磁铁或电磁铁。在本发明的一个方面，磁铁28为弹性体磁铁，例如包括嵌入在弹性体母体中的铁磁颗粒的磁铁。磁铁28可以通过常规方法附着于平板12，例如机械紧固件或粘合剂，以及其它方式。平板30可以为能够以足够的力吸引到磁铁28上以夹持薄膜18的任何平板，例如碳素钢板或不锈钢板。平板30还可以为在非金属母体中包括铁磁颗粒的平板，例如注入亚铁颗粒的塑料或弹性体材料。在本发明的一个方面，磁铁28可以嵌入在平板12，例如，其中磁铁28的表面基本上与平板12的表面齐平。嵌入磁铁28的表面也可以不与平板12的表面齐平，而是可以高于或低于平板12的表面。在本发明的一个方面，磁铁28被模压进入平板12的表面。在本发明的另一方面，磁铁28还包括平板12被磁化的区域，例如电力磁化。
在本发明的一个方面，平板12可以为含铁材料，并且薄膜18可以通过一个或多个可分离的磁铁28′(没有显示)夹持，而不需要平板30。在本发明的这个方面，薄膜18通过可分离的磁铁28′和平板12之间的磁力夹持在平板12。
根据夹具10的尺寸和夹具10夹持的元件的尺寸和重量，磁铁28和平板30的长度和厚度可以不同。例如，磁铁28和平板30的宽度可以为0.125英寸(约3毫米)-约3英尺(约1米)。在本发明的一个方面，其中本发明用来搬运燃料电池的MEAs元件，磁铁28和平板30的宽度为约0.25英寸(约6毫米)-约3英寸(约75毫米)，例如，为约1英寸(25.4毫米)-约2英寸(50.8毫米)。磁铁28和平板30的厚度可以为约0.1毫米(约0.004英寸)-约50毫米(约2英寸)，并通常为约0.5毫米(约0.02英寸)-约5毫米(约0.2英寸)。在本发明的一个方面，磁铁28具有约1英寸(约25.4毫米)的宽度和约2.5毫米(约0.10英寸)的厚度，并且平板30具有约1英寸(约25.4毫米)的宽度和约0.5毫米(约0.02英寸)的厚度。平板30的宽度可以约等于、大于或小于磁铁28的宽度。
在如图2C所示的本发明的一个方面，装置16C沿着平板12上的孔14夹持薄膜18。在本发明的一个方面，装置16C包括薄膜18和平板12之间的某种形式的结合19。例如，结合19可以为粘合剂，例如耐久性粘合剂或暂时性粘合剂(例如用于Post-it牌粘合便签纸的暂时性粘合剂)或胶带，例如单面或双面胶带。结合19还可以包括薄膜18与平板12的熔合，例如热熔化或熔焊。薄膜18和平板12的热熔合可以通过将接合面暴露于温度和压力下进行。结合19可以包括将薄膜18结合到平板18的其它常规方法。
图3表示根据本发明一个方面如图1所示的夹具40的分解透视图。在如图3所示的本发明的一个方面，夹具40包括具有孔114(与孔14类似)的平板112(与平板12类似)，和用于夹持薄膜118(与薄膜18类似)的装置116B(于如图2B中所示的装置16B类似)。在本发明的一个方面，孔114为矩形，并且装置116B包括装配于孔114附近的矩形排列的磁铁128。装置116B也包括固定板130(于如图2B中所示的固定板30类似)。固定板130可以为单个平板或两个或多个平板。在本发明的一个方面，平板130基本上具有与磁铁128相同的几何形状。根据本发明的一个方面，为了简化平板130的搬运或简化元件固定于薄膜118上的过程，平板130的几何形状可以不同于磁铁128的几何形状。例如，平板130可以包括一个或多个伸出部分、把手或突起，以简化平板130通过手工或通过自动化方式的放置或移去。平板130还可以包括一个或多个穿孔、孔或插脚，以简化平板130在磁铁128上的定位。
图4表示如图3所示夹具40与夹持在平板130和磁铁128之间的薄膜118组装时的透视图。如图4所示，在夹具40的组装时，至少部分多余的薄膜118A和118B可能伸到平板130之外。在本发明的一个方面，多余的薄膜118A和118B可以通过手工或自动化装置除去，以提供如图5所示具有装配的薄膜118的夹具40，其根据本发明的一个方面正准备进行进一步处理。
图15表示可以用来装配薄膜18、118的夹具10和40。根据本发明，夹具10和40可以用来简化薄膜18、118的处理，或具有薄膜18、118元件的制造。图5-15表示一系列可以使用夹具10和40进行的方法。虽然上述方法可以用来制造燃料电池的MEAs元件，本领域技术人员将认识到，通过使用本发明的一个或多个方面，多种过程和制造可以得到简化。
图6表示根据本发明一个方面的夹具140的透视图。与夹具40类似，夹具140具有有孔214的平板212，与平板112类似；与磁铁128类似的一个或多个磁铁228；与平板130类似的铁磁平板230；和与薄膜118类似的垫片218。虽然如图6所示用于装配垫片218的装置包括磁铁228和铁磁平板230，然而根据本发明可以使用如图6所示将垫片218装配到平板212任何装置，例如如图2A、2B和2C中所示的装置。
根据本发明的一个方面，MEA元件的制造包括通过常规方法向垫片218引入一个或多个开口、孔道或孔219，例如通过在垫片218手工切削形成孔219，或通过手工或自动冲切机在垫片218形成孔219。孔219可以为任何预期形状，包括多边形，例如四边形、矩形、三角形等等；或圆形，例如卵形、椭圆形、圆形等等。根据如图6所示的本发明的一个方面，孔219外形上为矩形并且位于平板212上孔214的中央。虽然图6中仅仅显示一个孔219，根据本发明的一个方面，两个或更多孔可以被引入到垫片218(例如参见图16)。
在根据本发明一个方面制造MEA元件的下一步中，电极被引入到孔219。该方法说明于图7。图7表示通过如图6所示的交叉排线7-7观察得到的夹具140的剖视图。图7也包括电极221的剖视图，例如由Somerset，NJ的E-TEK提供的碳-基气体扩散电极。根据本发明的一个方面，装配于夹具140上的垫片218提供了装配电极221的垫片。电极221可以通过常规方法，例如通过粘合剂装配在垫片218的孔219上。根据本发明的一个方面，电极221可以通过加热和加压装配在垫片218的孔219上。例如如图7所示的剖视图中，具有铁砧225的加热冲切机223可以用来将电极221装配在垫片218的孔219上。根据本发明的一个方面，电极221随意地设置在孔219上(例如，以0.003英寸或更少的容许偏差设置)，然后冲切机223挤压电极221和垫片218的接合面，例如孔219的外围附近。根据本发明的一个方面，当在例如至少100℃的温度和至少100psi的压力挤压时，垫片218包括即将附着于电极221的材料。在此温度和压力条件下，垫片218与电极221熔合，由此垫片218被“熔焊”到电极221。
图8为类似于图7的剖视图，然而表示具有垫片218的孔219上电极221的组装夹具240。根据本发明的一个方面，至少两个具有底板安装的电极221的夹具240与隔膜一起组装以提供用于燃料电池的MEA。这种MEA的组装在图9中说明。
图9为根据本发明一个方面MEA组件250的分解透视图。组件250包括与图8所示夹具240基本上相同的第一夹具240，具有装配于垫片218的电极221，其依次装配于平板212。组件250包括与图8所示夹具240基本上相同、而仅仅反转的第二夹具240。根据本发明的一个方面，正如现有技术中已知的那样，交换膜252，例如质子交换膜(PEM)，被设置在夹具240和240′之间并与电极221排列成行(此外例如，以0.003英寸或更少的容许偏差排列成行)。根据本发明的一个方面，交换膜252可以通过自动隔膜搬运方法和装置设置在夹具240和240′之间，该方法和装置公开在2002年8月30提交的题为“从源位置到目标位置转移薄膜的方法和装置”的普通-受让美国专利申请US 10/232,424中(代理人编号2036.001)，其全部内容引用于此作为参考。
具有夹具240和240′和隔膜252的组件250的透视图如图10所示。图11表示沿着图10中直线11-11观察得到的组件250的剖视图。根据本发明的一个方面，图11所示电极221和薄膜252的组件可以被“封接”，所述“封接”通过加热和加压电极221和薄膜252以形成封接的电极-隔膜-电极组件255，如图12所示。图12表示封接过程期间如图11所示电极-隔膜-电极组件255的详图。在本发明的一个方面，封接可以通过粘合剂进行。在本发明的另一方面，在与如图7和8所示装配电极221到垫片218过程类似的过程中，封接如下进行通过以图12所示的压力分布229挤压电极221和隔膜252，然后使用热，例如通过加热冲切机进行。在本发明的一个方面，电极-隔膜-电极组件255的封接可以如下进行，在至少100℃的温度在电极-隔膜-电极组件255施加至少100psi的压力，例如均匀施加在电极-隔膜-电极组件255上。
根据本发明的另一方面，电极-隔膜-电极组件255如图12所示封接后，电极-隔膜-电极组件255可以被“层压”。根据本发明的这个方面，并且如现有技术中使用的那样，当电极-隔膜-电极组件255被层压时，组件255中电极221和隔膜252外围外测的接合垫片表面被熔合。根据本发明的一个方面，层压可以通过在垫片218的接合面之间施加粘合剂进行。根据本发明的另一方面，层压可以以如图7所示冲切机相似的方式，在冲切机中通过加热和加压进行。图13表示图11所示电极-隔膜-电极组件255在层压期间，那就是说，当电极-隔膜-电极组件255外围附近的垫片218熔合时与图12类似的详图。箭头27表示层压过程中施加到垫片218的压力。此外，层压期间施加的压力和温度可以为至少100psi和至少100℃。
根据本发明的另一方面，如图14所示一个或多个孔道或穿孔260可以引入到垫片218。在本发明的一个方面，穿孔260可以在电极-隔膜-电极组件255层压之后引入，根据本发明的另一方面，穿孔260可以在制造过程中随时引入。例如，如图6所示，穿孔260可以在孔219引入到垫片218的大约同时引入，或如图12所示在封接期间引入，或如图13所示在层压期间引入，或在处理期间任何其它时机引入。可以提供穿孔260以符合组装燃料电池中的通道，例如向燃料电池的MEAs，例如电极-隔膜-电极组件255提供和排除气体的通道。穿孔260可以以任何预期数目和形状提供，并且可以手工或自动切进垫片218。在本发明的一个方面，穿孔260通过一个或多个冲切操作提供。在本发明的一个方面，穿孔260可以省略。
当电极-隔膜-电极组件255在组件250中的搬运完成时，电极-隔膜-电极组件255可以从组件25中移出并修整成预定的形状，以提供如图15所示的基本上完成的电极-隔膜-电极组件265。电极-隔膜-电极组件255从组件25中的移出可以手工或自动进行，例如以单个冲切操作进行。完成的电极-隔膜-电极组件265与组成垫片可以随后插入在燃料电池堆中或其它搬运，或包装以储存或船运。
虽然根据本发明的一个方面，图9中的夹具240包括平板212上的单孔214和单电极221，然而根据如图16、17和18所示的本发明的其它方面，可以提供一个以上的孔214和一个以上的电极221。例如，图16表示根据本发明的其它方面具有单孔314和两个或多个电极321的夹具340。图17表示根据本发明的一个方面，具有两个或多个孔414的夹具440，每个孔414具有一个或多个电极421。图18表示根据本发明的另一方面，具有四个或以上孔514的夹具540，每个孔514具有一个或多个电极521。并且根据本发明的一个方面，图6中所示的平板212和孔214可以以任何预期形状提供，例如取决于即将使用MEA的燃料电池的形状。例如如图19所示，根据本发明的一个方面，夹具640可以具有圆板612和圆孔614，并具有一个或多个圆形或四边形电极621(其可以与一个或多个相应地圆形或四边形隔膜紧密配合)。
根据本发明的另一方面，夹具240和相关的夹具，可以提供有简化薄膜在平板上的孔上装配的装置。这样一种用于装配薄膜101的夹具100如图20所示。夹具100包括平板102，平板102可以具有上述平板12、212的一个或多个特征，包括孔104；和用于装配薄膜101的装置106，其与以上公开的装置16、16A、16B或16C类似。出于说明性目的，图20中所示的装置106包括如图2B中所示的磁性装置16B。根据本发明的这个方面，夹具100也包括用于简化薄膜101到夹具100的搬运和装配的装置110。根据本发明的一个方面，装置110包括有效连接到真空源(没有显示)的真空通道112。在本发明的一个方面，真空通道112通过一个或多个真空孔114有效连接到真空源。真空孔114可以为圆孔、矩形孔或沟槽、圆形沟槽114′，或不同形状孔的组合，以及其它形状的孔。
装置110的详图如图21所示。图21为沿着图20中直线21-21观察得到的横剖面视图。如图21所示，用于装配薄膜101的夹具100的平板102包括装配于孔104周围的磁条115，和与磁条115一起使用以保持薄膜101的铁磁平板117。如图21所示，夹具100还包括通过一个或多个真空孔114有效连接到真空源(没有显示)的真空通道112。真空通道112可以通过两个装配到平板112的挡板113提供。在本发明的一个方面，挡板113可以与平板102形成一个整体，例如形成或模压进入平板102的表面。在本发明的另一方面，挡板113可以为装配到平板102表面的单独结构，例如通过机械紧固件、熔焊、或粘合剂装配。在本发明的一个方面，挡板113可以为金属，例如钢或铝；或非金属，例如弹性体或聚合物，例如橡胶挡板。在本发明的一个方面，一个挡板113可以包括磁条115边沿。在本发明的另一方面，至少一个挡板113可以有磁性，并且至少一个挡板113可以补充或代替磁条115的功能。例如在本发明的一个方面，铁磁平板117可以沿着至少一个磁性挡板113延伸，并且通过磁性挡板113中的至少一个夹持。在本发明的另一方面，一个或多个磁性挡板113可以代替磁条115，其中磁条115可以省略，例如个或多个磁性挡板113可以设置在图21中磁条115的位置，由此磁条115可以被省去。
根据本发明的一个方面，薄膜101通过孔104引出，例如以手工或自动方式，并且启动真空源(手工或自动方式)，由此通过一个或多个孔114形成真空并进入真空通道112。真空通道112中的真空通过真空通道112引出薄膜101，以保持薄膜在孔104和磁条115之上的位置。当薄膜101通过真空保持时，铁磁平板117可以设置在磁条115(手工或自动)之上，以保持薄膜101在孔104上。然后如果需要，真空源至真空通道112可以被中断，并且夹具100和薄膜101可以被搬运或处理。真空通道112可以用于说明书公开的任何夹具。
根据本发明的另一方面，如图20所示，夹具100(或者说明书公开的任何其它夹具)可以包括一个或多个夹具定位孔120。在装配于夹具100的薄膜或元件的搬运和处理期间，孔120可以为孔、槽沟、凹槽用于排列夹具100的相关结构。例如如图20所示，夹具100可以包括至少两个直径为约0.125英寸-约0.75英寸的定位孔120。孔120可以与定位于工作台(其处理薄膜或装配于薄膜的元件)的同样尺寸的插脚或销钉配合，例如冲切机中的插脚或销钉。当考虑到平板102的磨损时，孔120可以通过衬套或垫环加固以减少磨损或提供耐磨性表面。
根据本发明的另一方面，夹具100(或者说明书公开的任何其它夹具)可以包括搬运孔125和127。此外，在装配于夹具100的薄膜或元件的处理期间，孔125和127可以为孔、槽沟、凹槽用于简化夹具100搬运的相关结构。例如在本发明的一个方面，孔125和127可以用以将夹具100插脚或销钉保持在传送器上，例如步进式传送器上，然而可以使用其它类型的传送器。孔125和127可以具有约0.125英寸-约1.00英寸的直径。
根据本发明的另一方面，夹具100(或者说明书公开的任何其它夹具)可以包括用于手工运送或操纵夹具100的一个或多个把手。把手可以仅仅包括平板102或栅、肋线上的一个或多个通孔，或装配于平板102表面上的可购自商业的把手。
本发明提供夹具，和在制造具有薄膜的装置(例如，膜电极组件元件)过程中使用夹具简化薄膜搬运的方法。当使这种装置(根据现有技术方法，通常仅仅可以手工分别处理)的组件自动化时，本发明尤其有用。本发明简化了这种装置的制造，其中与使用现有技术中的夹具和方法相比，这种装置可以更快和更经济的生产。因而，通过使用本发明的各个方面，这种装置可以以合理的代价能大批供应的生产，否则这种装置将太昂贵而难以商业生产。
虽然本发明已经参考优选实施方案进行了特别说明和描述，本领域技术人员应当理解在不离开下面权利要求所述的本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明的形式和细节作出各种改变。
权利要求
1.一种用于简化燃料电池膜电极组件制造的夹具，所述夹具包括有孔平板；和用于将垫片装配到平板的装置，其中该垫片至少部分阻塞孔；其中至少部分阻塞小孔的部分垫片提供一个表面，以装配至少一个用于燃料电池膜电极组件的电极。
2.权利要求1中所述的夹具，其中用于将垫片装配到平板的装置包括用于将垫片以可拆卸方式装配到平板的装置。
3.权利要求1中所述的夹具，其中用于将垫片装配到平板的装置包括机械装置、粘合剂装置、磁性装置和真空装置中的至少一种。
4.权利要求1中所述的夹具，其中用于将垫片装配到平板的装置包括包括至少一个磁铁。
5.权利要求4中所述的夹具，其中用于将垫片装配到平板的装置进一步包括装配到至少一个磁铁的至少一个铁磁平板。
6.权利要求4中所述的夹具，其中所述夹具在平板上进一步包括至少一个有效连接到真空源的真空孔。
7.权利要求6中所述的夹具，其中所述夹具进一步包括至少一个与至少一个真空孔流体相通的真空通道。
8.权利要求1中所述的夹具，其中平板包括厚度小于约0.25英寸的平板。
9.权利要求8中所述的夹具，其中平板包括至少一种金属和非金属材料。
10.权利要求9中所述的夹具，其中非金属材料包括复合材料。
11.权利要求1中所述的夹具，其中垫片包括厚度不到约500微米的薄膜垫片。
12.一种使用包括有孔的第一平板的夹具简化燃料电池膜电极组件制造的方法，所述方法包括以下步骤a)提供一种薄膜垫片；b)将薄膜垫片装配到第一平板，其中薄膜垫片至少部分阻塞小孔；c)向薄膜垫片引入孔；和d)在薄膜垫片的孔上装配电极，以提供装配于第一平板中的第一垫片电极；其中所述垫片电极用于燃料电池膜电极组件。
13.权利要求12中所述的方法，其中第一平板还包括将薄膜垫片固定到第一平板的装置，并且其中b)将薄膜垫片装配到第一平板包括使用将薄膜垫片固定到第一平板的装置装配薄膜垫片。
14.权利要求12中所述的方法，其中c)在薄膜垫片中引入孔包括在薄膜垫片中引入四边形孔。
15.权利要求12中所述的方法，其中c)在薄膜垫片中引入孔包括在薄膜垫片中引入多个孔。
16.权利要求12中所述的方法，其中c)在薄膜垫片引入孔包括在薄膜垫片冲切成孔。
17.权利要求12中所述的方法，其中d)在薄膜垫片的孔上装配电极包括d1)重叠至少部分电极和薄膜垫片，和d2)加热和加压该重叠部分，以提供薄膜垫片重叠部分和电极重叠部分之间的粘合。
18.权利要求17中所述的方法，其中d2)加热和加压包括加热到至少约100℃和加压到至少约100psi。
19.权利要求12中所述的方法，进一步包括重复步骤a)-d)以提供装配于第二平板的第二垫片电极。
20.权利要求19中所述的方法，进一步包括在第一垫片电极和第二垫片电极之间设置交换膜，和在交换膜附近封接第一垫片电极和第二垫片电极，以产生封接的垫片电极-隔膜-电极组件。
21.权利要求20中所述的方法，其中封接包括将第一垫片电极和第二垫片电极置于一定温度和压力下，其中第一垫片电极和第二垫片电极粘合于交换膜上。
22.权利要求20中所述的方法，进一步包括层压该封接的垫片电极-隔膜-电极组件。
23.权利要求22中所述的方法，其中层压包括将第一垫片电极和第二垫片电极的至少一部分置于一定温度和压力下，由此部分垫片彼此粘合。
24.权利要求20中所述的方法，当其组装于燃料电池堆中时，进一步包括向封接的垫片电极-隔膜-电极组件的垫片引入至少一个孔，以提供气体通道。
25.权利要求20中所述的方法，进一步包括将封接的垫片电极-隔膜-电极组件设置于燃料电池堆中。
26.一种用于简化制造具有薄膜装置的夹具，所述夹具包括有孔平板；用于装配薄膜到平板的装置，其中该薄膜至少部分阻塞孔；其中至少部分阻塞孔的部分薄膜提供用于装配装置的至少一个元件的表面。
27.权利要求26中所述的夹具，其中用于将薄膜装配到平板的装置包括以可拆卸方式将薄膜装配到平板的装置。
28.权利要求26中所述的夹具，其中用于将薄膜装配到平板的装置包括机械装置、磁性装置和真空装置中的至少一种。
29.权利要求26中所述的夹具，其中用于将薄膜装配到平板的装置包括包括至少一个磁铁。
30.权利要求29中所述的夹具，其中用于将薄膜装配到平板的装置进一步包括装配到至少一个磁铁的至少一个铁磁平板上。
31.权利要求29中所述的夹具，其中所述夹具在平板上进一步包括至少一个有效连接到真空源的真空孔。
32.权利要求31中所述的夹具，其中所述夹具进一步包括至少一个与至少一个真空孔流体相通真空通道。
33.权利要求26中所述的夹具，其中平板包括厚度小于约0.25英寸的平板。
34.权利要求33中所述的夹具，其中平板包括至少一种金属和非金属材料。
35.权利要求34中所述的夹具，其中非金属材料包括复合材料。
36.权利要求26中所述的夹具，其中薄膜包括厚度不到约500微米的薄膜。
37.一种使用包括有孔平板的夹具简化制造具有薄膜的装置的方法，所述方法包括以下步骤a)提供薄膜；b)将薄膜装配到平板，其中薄膜至少部分阻塞小孔；c)将装置的至少一个元件装配到薄膜上，以提供平板支撑的具有薄膜的元件；d)在平板支撑下，将具有薄膜的元件进行进一步的处理；和e)将具有薄膜的元件装配到装置中。
38.权利要求37中所述的方法，进一步包括f)向薄膜引入至少一个孔。
39.权利要求37中所述的方法，其中平板进一步包括将薄膜结合到平板的装置，并且其中d)将薄膜装配到平板包括使用将薄膜结合到平板的装置装配薄膜。
40.权利要求37中所述的方法，其中平板进一步包括至少一个磁铁，并且b)将薄膜装配到平板包括在至少一个磁铁上设置薄膜，以及在薄膜和至少一个磁铁上设置铁磁平板。
41.权利要求37中所述的方法，其中c)在薄膜上装配装置的至少一个元件包括c1)重叠元件和薄膜的至少一部分，和c2)加热和加压该重叠部分，以提供薄膜重叠部分和元件重叠部分之间的粘合。
42.权利要求41中所述的方法，其中加热和加压的步骤c2)包括加热到至少约100℃和加压到至少约100psi。
全文摘要
本发明公开了夹具和使用夹具以简化制造具有薄膜装置的方法，例如燃料电池膜电极组件的垫片元件。在一个方面，该夹具包括有孔(14)平板(12)和用于将薄膜(17)安装到平板的装置(16)，其中薄膜至少部分阻塞孔，并且其中薄膜提供用于装配装置中至少一个元件的表面。另一方面涉及用于简化燃料电池膜电极组件制造的夹具，所述夹具包括有孔平板和用于将垫片装配到平板的装置，其中该垫片至少部分阻塞小孔并且其中垫片提供一个表面，以装配至少一个用于燃料电池膜电极组件的电极。
文档编号H01M8/10GK1689181SQ03820431
公开日2005年10月26日 申请日期2003年8月20日 优先权日2002年8月30日
发明者雷蒙德·帕费尔, 斯蒂芬·德尔比, 格伦恩·桑德斯, 格伦·霍佩斯, 路易斯·库尔图瓦, 于尔根·帕夫利克, 维尔纳·克劳斯 申请人:佩密斯股份有限公司