专利名称：卷状燃料电池制作工艺、设备及其产品的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及燃料电池，并更具体地涉及用于自动化制作卷状多层燃料电池组件和子组件的工艺和设备、以及它们生产的燃料电池产品。
背景技术：
已经开发各种设备和方法，从以薄片或卷状形式产生的部件生产燃料电池。常规的组装方法一般包括在分批操作中切割几个输入的薄片部件，形成这些材料的层板。接着使用各种机械和真空手段来处理单个材料，以便在燃料电池组装过程中正确地定位单个材料。
尽管许多这样的工艺已经实现自动化，但这些方法一般包括通过复杂的、耗时的且通常昂贵的自动化设备来执行的大量处理、对准和对齐步骤。与常规燃料电池制造方法有关的处理步骤的数量和复杂性通常减少产量，这对自动化燃料电池组装线的生产率有负面影响。而且，许多常规燃料电池制作设备和方法不太适合高度自动化，尤其是那些具有严格位置公差要求的设备和工艺。
需要改进的燃料电池制造设备、方法、以及从这些设备和方法生产的燃料电池组件。进一步需要可以在自动化组装环境中，如在自动化燃料电池组装工厂中，实现的设备、方法和燃料电池组件。本发明实现这些和其它的需求，并解决现有方法中的其它缺陷。
发明内容
本发明致力于改进的燃料电池制作工艺、设备及其产品。本发明进一步致力于卷状多层燃料电池组件和子组件的自动化制作，包括卷状的单元燃料电池组件。
根据本发明的一个实施例，一种连续产生多层燃料电池材料薄片的方法包括在包括燃料电池膜的薄片的第一和第二表面上层叠第一和第二薄片，其中，所述第一和第二薄片每一个都包括接合材料并具有分隔开的窗口。膜薄片的第一和第二活性区位于各个接合材料窗口内。所述方法进一步包括分别在布置于膜薄片第一和第二表面上的接合材料上层叠第三和第四薄片，其中，所述第三和第四薄片每一个都包括垫圈材料并具有分隔开的窗口。接合材料的窗口与垫圈材料的各个窗口对齐，从而，至少一些接合材料在各个垫圈材料窗口内延伸。所述方法还包括在膜薄片的第一和第二活性区上分别层叠从包括FTL材料的第五和第六薄片切割的流体输送层(FTL)材料部分。FTL材料部分位于各个垫圈材料窗口内，并且与在各个垫圈材料窗口内延伸的接合材料接触。
根据另一实施例，一种连续产生在一对流场板之间或在垫圈层之间并与之一起使用的多层燃料电池材料薄片的方法包括切割包括接合材料的第一薄片，在第一薄片中产生分隔开的第一窗口。第一窗口包括沿着第一窗口边缘设置的接合点。切割包括接合材料的第二薄片，在第二薄片中产生分隔开的第二窗口。第二窗口还包括沿着第二窗口边缘设置的接合点。
所述方法进一步包括提供包括燃料电池膜的薄片，所述膜薄片具有布置在膜薄片的第一和第二表面上的活性区；在膜薄片的第一表面上层叠第一接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第一表面的活性区位于第一窗口内。在膜薄片的第二表面上层叠第二接合材料的第一表面，从而，膜薄片第二表面的活性区位于第二窗口内。所述方法还包括在膜薄片第一和第二表面的活性区上分别层叠从包括FTL材料的第四和第五薄片切割的FTL材料部分。每个FTL材料部分分别与第一和第二窗口的接合点接触。
根据又一实施例，一种连续产生多层燃料电池组件的方法包括对膜材料薄片、第一接合薄片以及包括FTL材料的第一薄片进行处理，形成膜电极组件(MEA)薄片的第一表面。所述方法还包括对膜材料薄片、第二接合薄片以及包括FTL材料的第二薄片进行处理，形成MEA薄片的第二表面。优选以第一和第二流场板薄片的形式提供第一和第二流场板。所述方法进一步包括在各对第一和第二流场板之间包围MEA薄片的每一个MEA。
根据另一实施例，一种连续产生多层燃料电池组件的方法包括产生连续的MEA薄片。提供包括接合材料的第一薄片，所述第一薄片具有分隔开的第一窗口，其中，第一窗口包括沿着第一窗口边缘设置的接合点。提供包括接合材料的第二薄片，所述第二薄片具有分隔开的第二窗口。第二窗口包括沿着第二窗口边缘设置的接合点。还提供包括燃料电池膜的薄片，所述膜薄片具有分别布置在膜薄片的第一和第二表面上的活性区。
所述方法还包括在膜薄片的第一表面上层叠第一接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第一表面的活性区位于第一窗口内；并且，在膜薄片的第二表面上层叠第二接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第二表面的活性区位于第二窗口内。在膜薄片第一和第二表面的活性区上分别层叠从包括FTL材料的第四和第五薄片切割的FTL材料部分，其中，每个FTL材料部分分别与第一和第二窗口的接合点接触。
所述方法进一步包括提供第一流场板的连续薄片以及提供第二流场板的连续薄片。在各对第一和第二流场板之间包围每个MEA。
根据还一实施例，一种连续产生多层燃料电池材料薄片的设备包括配置为切割包括接合材料的第一薄片的第一切割站。第一切割站包括配置为在第一薄片内产生分隔开的第一窗口的第一切割机构。第一窗口包括沿着第一窗口边缘设置的接合点。第二切割站配置为切割包括接合材料的第二薄片。第二切割站包括配置为在第二薄片内产生分隔开的第二窗口的第二切割机构。第二窗口包括沿着第二窗口边缘设置的接合点。
所述设备还包括配置为输送膜薄片的膜薄片输送机构。膜薄片包括燃料电池膜，所述燃料电池膜具有分别布置在膜薄片的第一和第二表面上的活性区。第一层叠站配置为在膜薄片的第一表面上层叠第一接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第一表面的活性区位于第一窗口内。第二层叠站配置为在膜薄片的第二表面上层叠第二接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第二表面的活性区位于第二窗口内。
所述设备进一步包括第三层叠站，所述第三层叠站配置为在膜薄片第一表面的活性区上层叠第一FTL补片，从而，每个第一FTL补片与第一窗口的接合点接触。第四层叠站配置为在膜薄片第二表面的活性区上层叠第二FTL补片，从而，每个第二FTL补片与第二窗口的接合点接触。
根据又一实施例，一种燃料电池组件包括具有第一表面和第二表面的膜。第一和第二表面分别包括第一和第二活性区。第一接合层包括与膜的第一表面接触的第一表面并且包括与膜的第一活性区对齐的第一窗口。第一窗口包括与第一活性区接触的接合材料突出物。
燃料电池组件的第二接合层具有与膜的第二表面接触的第一表面并且包括与膜的第二活性区对齐的第二窗口。第二窗口包括与第二活性区接触的接合材料突出物。
在第一接合层的第二表面上布置第一垫圈层，并且，第一垫圈层包括与第一接合层的第一窗口对齐的第三窗口。在第二接合层的第二表面上布置第二垫圈层，并且，第二垫圈层包括与第二接合层的第二窗口对齐的第四窗口。
所述燃料电池组件还包括与膜的第一表面接触的第一FTL，其中，第一FTL的边缘至少与第一窗口的接合材料突出物接触。第二FTL与膜的第二表面接触，从而，第二FTL的边缘至少与第二窗口的接合材料突出物接触。在第一和第二活性区中的一个上布置阳极催化剂，并且，在第一和第二活性区中的另一个上布置阴极催化剂。
根据另一实施例，一种在一对流场板之间或在垫圈层之间并与之一起使用的燃料电池子组件包括具有第一表面和第二表面的膜。第一和第二表面分别包括第一和第二活性区。第一接合层具有与膜的第一表面接触的第一表面并且包括与膜的第一活性区对齐的第一窗口。第一窗口包括与第一活性区接触的接合材料突出物。燃料电池子组件的第二接合层具有与膜的第二表面接触的第一表面并且包括与膜的第二活性区对齐的第二窗口。第二窗口包括与第二活性区接触的接合材料突出物。
燃料电池子组件还包括与膜的第一表面接触的第一FTL，其中，第一FTL的边缘至少与第一窗口的接合材料突出物接触。第二FTL与膜的第二表面接触，其中，第二FTL的边缘至少与第二窗口的接合材料突出物接触。在第一和第二活性区中的一个上布置阳极催化剂，并且，在第一和第二活性区中的另一个上布置阴极催化剂。
本发明的以上概述不是用于描述本发明的每个实施例或每次实施。通过参照以下结合附图的详细描述和权利要求，本发明的优点和成就将变得显而易见，并且将更完全地理解本发明。
图1示出典型的燃料电池及其基本操作；图2为根据本发明实施例构造的多层燃料电池组件的图解；
图3为图2所示燃料电池组件的横截面视图；图4为根据本发明另一实施例构造的多层燃料电池组件的图解；图5为根据本发明另一实施例构造的多层燃料电池组件的图解，其中，所述多层燃料电池组件作为单元燃料电池组件或UCA；图6-9为说明根据本发明实施例的用于制作燃料电池组件、子组件和单元燃料电池组件的各种工艺的流程图；图10示出根据本发明的连续燃料电池制造工艺而预先准备燃料电池膜薄片并在其上附加各种燃料电池部件的设备的实施例；图11示出根据本发明的连续燃料电池制造工艺而在预先准备的膜薄片上附加从FTL材料薄片切割的流体传输层(FTL)补片的设备的
具体实施例方式
在图示实施例的以下描述中，参照附图进行描述，其中，附图是本发明的一部分，并且，借助图解示出实践本发明的各种实施例。应该理解，可利用实施例，并且，只要不偏离本发明的范围，就可进行结构修改。
本发明致力于构造燃料电池结构的改进方法和设备，并致力于改进的燃料电池组件。燃料电池是结合氢气燃料和空气中的氧气而产生电、热和水的电化学装置。燃料电池不利用燃料，并且，同样地，燃料电池几乎不产生危险的流出物。燃料电池把氢气燃料和氧气直接转换为电力，并且，例如，能以比内燃发电机高很多的效率来操作。
图1描述典型的燃料电池。图1所示燃料电池10包括与阳极14相邻的第一流体输送层(FTL)12。与阳极14相邻的是电解质膜16。阴极18布置得与电解质膜16相邻，并且第二流体输送层19布置得与阴极18相邻。FTL 12和19可称作扩散集电器(DCC)或气体扩散层(GDL)。在操作中，氢气燃料通过第一流体输送层12并越过阳极14，引入到燃料电池10的阳极部分中。在阳极14中，氢气燃料分离为氢离子(H+)和电子(e-)。
电解质膜16只允许氢离子或质子通过电解质膜16到达燃料电池10的阴极部分。电子不能通过电解质膜16，并且相反，电子以电流形式流经外部电路。此电流可对诸如电机的电负载17供电，或者被引导到诸如充电电池的能量存储装置中。
氧气通过第二流体输送层19流入燃料电池10的阴极一侧。当氧气越过阴极18时，氧、质子、和电子结合，产生水和热。
可从根据本发明原理的卷状输入材料(如燃料电池部件的薄片)产生大量如图1所示的单个燃料电池。例如，可使用连续组装方法制作单个燃料电池，其中，借助连续组装方法，对卷状输入薄片材料进行处理，产生成品燃料电池组件的卷状输出薄片。在一些方法中，可对卷状输入薄片材料进行处理，产生燃料电池子组件的卷状输出薄片，它可用于后续的处理，以产生成品燃料电池组件。
可用适当的衬垫材料缠绕输出的燃料电池组件和子组件薄片，以形成卷。在另一种方法中，可对输出的燃料电池组件和子组件薄片进行分离处理，借助该处理，可从它们各自的薄片分离各个燃料电池组件或子组件。
根据其它方法，可对卷状燃料电池输入薄片和流场板进行处理，以连续的方式生产单元燃料电池组件(UCA)。单元燃料电池组件是包括一个或多个电池的单个模块或单元，所述电池可作为功能燃料电池独自工作或结合堆中的其它UCA一起工作。UCA可用单极或双极配置来实现。
例如，在一种方法中，可对卷状燃料电池输入薄片材料和流场板薄片进行处理，以产生UCA薄片。可使用在线模制工艺来生产流场板的薄片，借助此工艺，流场板在燃料电池薄片处理之中，之前或之后模制，并且用于包围输出薄片的膜电极组件(MEA)。为便于处理和将来的使用，UCA可以是卷绕或分离和层叠的。
可采用许多不同的燃料电池技术来构造根据本发明原理的燃料电池组件、子组件和UCA。例如，可利用本发明的燃料电池制作方法来构造质子交换膜(PEM)燃料电池组件和子组件。PEM燃料电池在相对较低的温度(大约175°F/80℃)下工作，具有较高的功率密度，可以迅速地改变它们的输出以满足功率要求的变化，并且，比较适合要求快速启动的应用，如汽车。
在PEM燃料电池中使用的质子交换膜一般是允许氢离子通过的薄塑料薄片。在所述膜的两侧上一般涂敷作为活性催化剂的高度分散金属或金属合金颗粒(如铂或铂/钌)。所用的电解质一般为固体有机聚合物，如聚全氟磺酸。使用固体电解质是有利的，因为它减少腐蚀和管理问题。
氢气馈送到燃料电池的阳极一侧，在这，催化剂促进氢原子释放电子并变为氢离子(质子)。电子在返回到燃料电池的阴极一侧之前，以可被利用的电流形式运动，其中，在阴极一侧引入氧气。同时，质子通过膜扩散到阴极，在这，氢离子与氧重新结合并发生反应，产生水。
膜电极组件(MEA)是PEM燃料电池如氢燃料电池的中心元件。如以上所讨论的，典型的MEA包括用作固体电解质的聚合物电解质膜(PEM)(还被称作离子导电膜(ICM))。
PEM的一个表面与阳极层接触，并且另一个表面与阴极层接触。每个电极层包括电化学催化剂，所述催化剂一般包括铂金属。流体输送层(FTL)有助于气体输送到阳极和阴极材料并从阳极和阴极材料输送气体，并且传导电流。
在典型的PEM燃料电池中，通过氢气氧化而在阳极形成质子，并且，质子传送给阴极，与氧气发生反应，允许电流在连接所述电极的外部电路中流动。FTL还可称为气体扩散层(GDL)或扩散/集电器(DCC)。在制造过程中，可在PEM或FTL上涂敷阳极和阴极层，只要阳极和阴极层布置在成品MEA内的PEM和FTL之间就可以。
任何适当的PEM可用于本发明的实践中。PEM一般具有小于50μm的厚度，更一般地小于40μm，更一般地小于30μm，并且，最一般地小于约25μm。PEM一般包括聚合物电解质，其中，聚合物电解质是酸官能氟聚合物，如Nafion(DuPont Chemicals，WilmingtonDE)和Flemion(Asahi Glass Co.Ltd.，Tokyo，Japan)。有助于本发明的聚合物电解质一般优选四氟乙烯与一种或多种氟化的酸官能共聚单体的共聚物。
聚合物电解质一般具有磺酸官能团。更一般地，聚合物电解质是Nafion。聚合物电解质一般具有1200或更小的酸当量，更一般地为1100或更小，更一般地为1050或更小，并最一般地为约1000或更小。
在本发明的实践中可以使用任何适当的FTL。通常，FTL包括含碳纤维的片材料，如碳纤维纸。FTL一般是从编织或无纺碳纤维结构中选择的碳纤维结构。可用于本发明实践的碳纤维结构包括TorayCarbon Paper、SpectraCarb Carbon Paper、AFN无纺碳布、Zoltek CarbonCloth等。FTL可涂敷或浸渍包括碳颗粒涂层、亲水处理层和憎水处理层的各种材料，例如，涂敷聚四氟乙烯(PTFE)。
任何适当的催化剂可用于本发明的实践中。通常使用支持碳的催化剂颗粒。典型的支持碳的催化剂颗粒为50-90wt％的碳和10-50wt％的催化剂金属，对于阴极，催化剂金属通常包含Pt，而对于阳极，催化剂金属通常包含重量比例为2∶1的Pt和Ru。催化剂通常以催化剂墨的形式涂敷到PEM或FTL上。催化剂墨一般包括聚合物电解质材料，所述聚合物电解质材料可以是或不是包括PEM的相同聚合物电解质材料。
催化剂墨一般包括在聚合物电解质分散体中的催化剂颗粒分散体。所述墨一般包含5-30％固体(即，聚合物和催化剂)，并更一般地包含10-20％固体。电解质分散体通常为水分散体或其它溶剂，其中，水分散体另外包含酒精、多元醇，如甘油和乙二醇，所述溶剂例如为N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基甲酰胺(DMF)。可调整水、酒精和多元醇的含量，以改变墨的流变性质。墨一般包含0-50％的酒精和0-20％的多元醇。另外，墨可包含0-2％的合适分散剂。一般通过加热搅动，随后稀释到可涂敷浓度而制造墨。
可通过任何适当的方式，包括手工和机器方法，在PEM或FTL上涂敷催化剂，包括用手刷、用凹口试杆涂敷、液压轴承模具涂敷、线绕棒涂敷、液压轴承涂敷、槽馈刀片涂敷、阳极和阴极成分的三辊涂敷、或烘干催化剂涂层贴花转移到膜上。可在一次涂敷或在多次涂敷中完成涂层。
可用于构造根据本发明原理的燃料电池组件、子组件和UCA的另一燃料电池技术称作直接甲醇燃料电池。直接甲醇燃料电池(DMFC)在使用聚合物膜作为电解质方面与PEM电池相似。然而，在DMFC中，阳极催化剂本身从液体甲醇燃料中吸收氢，不需要燃料重整器。DMFC通常在120-190°F/49-88℃之间的温度下操作。可根据本发明的原理对直接甲醇燃料电池进行处理和封装。
现在参照图2，示出根据PEM燃料电池技术的多层燃料电池37的实施例。在图3中提供图2燃料电池实施例的横截面视图。图2和3所示燃料电池37是7层结构，所述结构包括5层MEA和2层垫圈结构。
燃料电池37包括PEM层30，PEM层30具有分别涂敷接合层32和42的表面。尽管在图2中接合层32和42被描绘成离散的部件，但应该理解，可使用固体、液体、或者UV或光固化材料或蒸汽接合材料或药剂来形成接合层32和42。
对接合层32和42构图，或以别的方式形成接合层32和42，以包括其尺寸大约等于PEM层30活性区的窗口。接合层32和42的窗口包括许多向内延伸的接合点33、43。接合点33、43延伸进入PEM层30的活性区，并用于促进PEM层30的活性区与各个流体输送层(FTL)36和46之间的粘附接触，同时使接合层32和42侵入PEM层30活性区最小。使用接合点提供PEM层30与FTL 36和46之间的粘附接触可有利地取消在传统加工技术中，在延长的时间周期内在高温下对这些层作用压缩力。
在图2中，示出的接合点33、43是在接合层窗口的内缘附近设置的一系列突出物或指状物。应理解，可形成接合点或对接合点构图，以呈现许多不同的配置，并且，图2和其它图中示出的指状接合点33、43是示例性的，不是用于限制目的。例如，接合点33、43可定义接合层窗口内缘的许多边缘部分。而且，接合点33、43可定义接合层窗口的连续内缘。可使用这些和其它的配置作为接合点33、43，如只与PEM层30的全部活性区的小部分，如不大于约15％的部分，接触的接合点。
垫圈层34和44布置得与各个接合层32和42接触。垫圈层34和44包括其尺寸比接合层32和42的窗口更大的窗口。垫圈层34和44可由许多材料形成，所述材料例如包括TEFLON、浸渍TEFLON的玻璃纤维、弹性体材料、UV固化聚合物材料、表面结构材料、多层复合材料、密封剂和硅材料。
在一个特定实施例中，垫圈层34和44每一个都是闭也泡沫橡胶垫圈，这在2002年11月14日提交的共同未决专利申请10/294098，Attorney Docket 58218US002中公开。在其它实施例中，在2002年5月10日提交的共同未决专利申请10/143273中公开垫圈层34和44形成有上升脊微结构密封图案的接触面。
使FTL 36和46的尺寸适合安装在垫圈层34和44的窗口内。而且，除了覆盖接合点33和43之外，FTL 36和46的尺寸还覆盖接合层32和42的窗口内缘。阳极催化剂材料(未示出)位于两个FTL 36和46中的一个与PEM层30之间，并且，阴极催化剂材料(未示出)位于PEM层30与两个FTL 36、46中的另一个之间。
在一种配置中，PEM层30制作得在一个表面上包括阳极催化剂涂层，并在另一表面上包括阴极催化剂涂层。此结构经常称作催化剂涂敷膜或CCM。根据另一配置，FTL 36、46制作得分别包括阳极和阴极催化剂涂层。在还一配置中，阳极催化剂涂层可部分布置在两个FTL36、46中的一个上，且部分在PEM层30的一个表面上，并且，阴极催化剂涂层可部分布置在两个FTL 36、46中的另一个上，且部分在PEM层30的另一表面上。
PEM层30以及FTL 36和46可具有如上所讨论的结构。可使用热接合材料，如热固性或热塑性材料，形成接合层32和42。合适的接合层材料包括压敏粘附剂、接合剂、自密封材料以及热激活接合材料。
根据一个实施例，使用热塑性密封材料形成接合层32和46。热塑性材料可以是诸如THV(四氟乙烯、六氟丙烯和二氟乙烯的三元共聚物)的氟塑料；聚乙烯；诸如这些乙烯的聚乙烯与丙烯酸的共聚物；Thermo-Bond 845(3M制造，如聚乙烯顺丁烯二酸酐共聚物)和Thermo-Bond 668(3M制造，如聚酯)。这些材料的混合物或这些材料与填充剂如碳、玻璃、陶瓷等的复合材料也可用作热塑性材料。优选地，熔化范围为50-180℃，并更优选地为100-150℃，这与MEA接合温度相似。
图4为根据本发明实施例的燃料电池子组件35的图解。图4所示燃料电池子组件35是独特的5层MEA结构，该结构在膜的相对表面上包括接合层。如图所示，图4的MEA包括在前面结合图2和3的燃料电池组件描述的几个层和部件。具体地，图4的MEA包括PEM层30，PEM层30具有分别涂敷接合层32和42的表面。如前所述，接合层32和42包括其尺寸大约等于PEM层30活性区的窗口。
接合层32和42的窗口包括许多向内延伸的接合点或指状物33、43。接合点33、43延伸进入PEM层30的活性区，并且粘附接触PEM层30活性区的部分与各个流体输送层(FTL)36和46。FTL 36和46的尺寸适合安装在垫圈层34和44的窗口内，并且，除了覆盖接合点33、43之外，还覆盖接合层32和42的窗口的内缘。阳极位于两个FTL36、46中的一个与PEM层30之间，并且，阴极位于PEM层30与两个FTL 36、46中的另一个之间。
在此实施例中，接合层32和42的不与PEM层30接触的表面优选通过衬垫(未示出)或其它材料覆盖，从而，在后续处理中，希望在曝光之前，接合层32和42的接合材料与FTL 36、46不暴露。各类脱模衬垫可用于此目的。在后续处理中，例如，暴露的接合层32、42和FTL 36、46与各个垫圈层或流场板对准。
图4所示类型的MEA结构以适当的方式存放，如以卷状或堆的形式存放，以便用于后续的燃料电池制作处理。可替换地，可对这些MEA结构进行进一步的自动化燃料电池组装处理，这在下面描述。如以上所讨论的，在使用脱模衬垫的情况下，可例如通过自动化处理，从接合层/FTL的外表面除去脱模衬垫。应指出，例如在包括某些热接合材料的卷状燃料电池组件的情况下，不必使用衬垫来保护某些接合材料。
借助实例并且结合图5来说明UCA的实例，在UCA中，上述类型的MEA 35布置在一对流场板50和60之间。根据此实施例，如前所述，MEA 35包括夹在接合层32和42之间的PEM层30，每个接合层32和42都具有其尺寸大约等于PEM层30活性区的窗口，并且具有向内延伸的接合点或指状物33、43。两个FTL 36和46的尺寸适合安装在垫圈层34和44的窗口内，并且除了覆盖接合点33和43之外，还覆盖接合层32和42的窗口内缘。如前所述，阳极和阴极分别位于两个FTL 36、46与PEM层30之间。
图5所示的每个接合层32和42具有暴露的接合表面，所述接合表面与各个流场板50、60的表面对准。在自动化燃料电池组装过程中，接合层32和42的暴露接合表面与各个流场板50和60之间的接合接触有利地维持这些部件之间的准确对准。而且，接合层32和42在热密封处理过程中有助于UCA的边缘密封。在2002年11月15日同时提交的共同未决专利申请10/295518和10/295292中公开包括本发明工艺和结构特征的UCA制作工艺和结构。
一般而言，每个流场板50、60包括气体流动通道的场以及氢气和氧气馈送燃料通过的端口。在某些配置中，流场板50、60可配置为单极流场板，其中，单个MEA 35夹在一对流场板50、60之间，以定义UCA。如在2001年9月17日提交的共同未决专利申请09/954601中所公开的，在此实施例和其它实施例中的流场可以是低横向通量流场。在典型的配置中，流场板的尺寸通常与膜的尺寸大约相同。
在其它配置中，通过使用一个或多个双极流场板，UCA可包括多个MEA 35。例如，UCA可包括两个图5所述类型的MEA 35以及单个双极流场板。在此配置中，第一MEA 35包括夹在第一和第二FTL之间的接合层/阴极/膜/阳极/接合层结构。第一FTL可布置得与第一流场端板相邻，其中，第一流场端板可配置为单极流场板。第二FTL可布置得与双极流场板的第一流场表面相邻。
相似地，第二MEA 35包括夹在第三和第四FTL之间的接合层/阴极/膜/阳极/接合层结构。第三FTL可布置得与流场端板相邻，其中，流场端板可配置为单极流场板。第四FTL可布置得与双极流场板的第二流场表面相邻。应理解，可在单个UCA中包括N个MEA 35以及N-1个双极流场板。然而相信，一般而言，对于更有效的热管理，包括一个或两个MEA 35的UCA是优选的。
在图5中示出且在此讨论的UCA配置是可用于本发明范围的特定布置的代表。提供这些布置仅仅是用于说明的目的，不是代表在本发明范围内所有可能的配置。例如，在下面描述的用于生产流场板的在线模制工艺可专用于某些UCA零件，如附加的或增强的密封零件、垫圈零件和/或硬和软挡板零件。相反，为了取消某些UCA零件，例如，通过替代使用在流场板集流腔周围模制的材料而取消单独的垫圈或密封零件，可提供此在线模制工艺。
借助进一步的实例，可使用各种增强密封方法来提供UCA的必需密封，所述UCA包括布置在一对单极流场板之间的MEA，并且，所述各种方法还可用来密封包括多个MEA、一对单极流场板和一个或多个双极流场板的UCA。例如，可构造具有单极或双极结构的UCA，以包括原位形成的固体垫圈，如扁平固体硅垫圈，这在前面引用的专利申请10/295518和10/295292中公开。
在特定实施例中，UCA可进一步包括硬挡板布置。硬挡板可内置，布置在UCA的内部，或集成到单极和/或双极流场板中。可在UCA中包括其它零件，如设置在流场板上的过量垫圈材料俘获通道和微复制图案。在UCA封装中包括硬挡板有利地限制在制作过程中和在使用过程中(如外部层叠压力系统)作用到MEA上的压缩力(如压力)的大小。例如，可计算UCA硬挡板的高度，以便在UCA构造过程中提供指定量的MEA压缩，如30％，此压缩应该通过硬挡板而限制在指定量。在流场板中包括硬挡板也可作为两个流场板的对准辅助工具。
而且，用根据本发明其它实施例的热管理能力可实现各种UCA配置。借助实例，指定的UCA配置可包括集成热管理系统。可替换地，或另外地，指定的UCA可配置为与可分离的热管理结构机械耦合。在前面引用的专利申请10/295518和10/295292中公开几种典型的UCA硬挡板和热管理方法。
图6-9描绘根据本发明的实施例生产燃料电池组件和子组件的各种方法。图6说明包括使用卷状输入燃料电池材料连续生产卷状或单个燃料电池子组件如MEA的各种工艺。根据图6的实施例，对膜材料薄片如PEM材料薄片与第一接合材料薄片一起进行处理70，以形成膜薄片的第一接合表面。对膜薄片的第二表面与第二接合材料薄片一起进行处理72，以形成膜薄片的第二接合表面。
对膜薄片的第一接合表面与第一垫圈材料薄片一起进行处理74，以在膜薄片的第一接合表面上形成垫圈。对膜薄片的第二接合表面与第二垫圈材料薄片进行处理76，以在膜薄片的第二接合表面上形成垫圈。
对膜薄片的第一接合表面与FTL材料部分一起进行进一步的处理78，以形成第一燃料电池子组件薄片表面。对膜薄片的第二接合表面与FTL材料部分一起进行处理80，以形成第二燃料电池子组件薄片表面。
优选从第一和第二FTL材料薄片提供FTL材料部分，其中，第一和第二FTL材料薄片分别与膜薄片的第一和第二接合表面一起进行处理，以形成第一和第二燃料电池子组件薄片表面。在膜薄片的第一和第二表面上形成的第一和第二燃料电池子组件薄片表面定义MEA结构的薄片，如图2-3中示出的MEA 37。
传送82燃料电池子组件薄片，以进行进一步的处理，如进行用于产生卷状燃料电池子组件的缠绕处理，或产生单个燃料电池子组件片的分离处理。应指出，衬垫一般与膜薄片表面上暴露的其它接合材料表面接触，以增强处理和可运输性。
图7示出根据另一实施例的用于产生燃料电池子组件薄片如MEA的各种处理。根据此方法，提供90每一个都具有窗口部分的第一和第二接合材料。分别在第一和第二接合表面的一个表面上形成衬垫。开窗的第一和第二接合材料薄片的暴露表面层叠92到膜薄片的第一和第二表面上。在膜薄片的活性区上布置94 FTL材料部分，从而，FTL材料部分与接合材料薄片的窗口内的暴露接合点接触。
接着，FTL材料部分层叠96到膜薄片的第一和第二表面的活性区上，因而形成MEA结构的薄片，如图4中示出的MEA 35。对多层燃料电池子组件薄片进行处理98，产生燃料电池子组件卷或单个燃料电池子组件片。
图8示出根据本发明又一实施例的用于产生包括垫圈层的燃料电池子组件薄片的各种处理。根据此实施例，第一和第二接合材料薄片的窗口与膜薄片的活性区对齐100。开窗的第一和第二接合材料薄片分别层叠102到膜薄片的第一和第二表面上。第三和第四垫圈材料薄片的窗口与膜薄片的第一和第二活性区对齐104。开窗的第三和第四垫圈材料薄片层叠106到第一和第二膜薄片表面上的接合材料上。
FTL材料部分布置108在第一和第二膜薄片表面的活性区上，以接触在第一和第二接合材料薄片的窗口内定义的接合点。接着，FTL材料部分层叠110到第一和第二膜薄片表面的活性区上。可利用图8所示的处理，产生包括垫圈材料层的MEA，如图2和3所示的MEA 37。与在前面的实施例中一样，可对根据图8产生的多层燃料电池子组件薄片进行进一步的处理，以产生燃料电池子组件卷或单个燃料电池子组件片。
图9示出包括产生根据本发明实施例的单元燃料电池组件或UCA的各种处理。根据此方法，对膜薄片、第一接合材料薄片、以及第一FTL薄片进行处理120，以形成燃料电池子组件薄片的第一表面。对膜薄片、第二接合材料薄片、以及第二FTL薄片进行处理122，以形成燃料电池子组件薄片的第二表面。
布置124一系列的第一流场板(如单极或双极)，用于接触燃料电池子组件薄片的第一表面。布置126一系列的第二流场板，用于接触燃料电池子组件薄片的第二表面。具体地，布置第一和第二流场板对，用于与在燃料电池子组件薄片上形成的各个燃料电池子组件接触。对第一和第二流场板对以及各个燃料电池子组件进行处理128，形成单元燃料电池组件，如UCA的薄片。
可对薄片形式或单片形式的UCA进行进一步的处理，以密封各个UCA，例如通过使用热压工艺进行密封。可利用图9所示处理来产生图5所示类型的UCA。可对这些UCA的薄片进行进一步的处理，以产生UCA卷或单个UCA。
提供上述处理仅仅是为了示例的目的，并不用于代表在本发明范围内用于产生燃料电池组件、子组件和UCA的所有可能的处理。而且，可以使用除上述之外的、或与上述不同的处理来产生本发明的燃料电池组件、子组件和UCA。例如，可使用下面描述的设备和相关处理来产生本发明的燃料电池组件、子组件和UCA。
现在看图10-12，示出对输入的燃料电池材料薄片进行处理并从这些输入的薄片产生输出的卷状燃料电池组件、子组件或UCA的设备。一般而言，图10-12的设备可产生使用卷状燃料电池部件的燃料电池卷。图10的设备提供在连续燃料电池制造工艺中预先准备离聚物燃料电池膜薄片以便在所述薄片上附加各种燃料电池部件的独特方法，所述燃料电池部件例如为垫圈和FTL部件。图11的设备提供在连续燃料电池制造工艺中把从FTL材料薄片切割的FTL材料部分附加到预先准备的膜上的独特方法。图12示出包括图10和11设备的单个设备。
图10的设备把构图接合剂从衬垫层叠到燃料电池膜薄片上。接合材料图案优选具有与燃料电池膜薄片的催化剂活性区相同的形状和面积。另外，根据一个实施例，在预先准备燃料电池膜薄片之后，在所述薄片上附加垫圈材料，这提供燃料电池部件连续组装所必需的优秀的膜薄片稳定性。接合材料通常具有在大约1到6密耳之间的厚度。
如图10所示，衬垫212a上的第一卷接合材料由旋转模具234a和支承辊240a冲切，产生被构图的(如开窗的)接合材料薄片。例如通过真空处理来收集衬垫218a上的废弃接合材料。被构图的接合材料薄片212a通过压送辊238a而层叠到膜薄片210的顶面上。因而，层叠的膜薄片在其顶面222上具有被构图的接合剂。
衬垫212b上的第二卷接合材料也由旋转模具234b和支承辊240b冲切，并通过压送辊238b而层叠到膜薄片210的底面上，得到衬垫/接合材料/膜/接合材料/衬垫结构224。收集衬垫218b上的废弃接合材料。
优选使用光学传感器来对齐膜薄片210的顶面和底面上的接合材料薄片图案(如窗口)。例如，光纤传感器检测接合材料图案的窗口相对于膜薄片210两侧上活性区的位置。
本领域中技术人员应理解，可使用几种技术和配置来促进使用光学传感器或其它类型检测布置的开窗材料对齐。借助实例，在辊240a与238a形成的辊隙处层叠从模具234a切割的图案之后，且在辊240b与238b形成的辊隙之前，布置一个光学传感器来检测所述图案。可布置第二光学传感器来检测模具辊234b上的或附加到模具辊234b上的标记，这里，所述标记与每个模腔相对应。
另一光学检测方法包括布置第一传感器来检测模具辊234a上的或附加到模具辊234a上的标记，这里，所述标记与每个模腔相对应，并且，布置第二传感器来检测模具辊234b上的或附加到模具辊234b上的标记，这里，此标记与每个模腔相对应。还有一种方法包括把辊234a和234b机械地捆绑在一起，具有对辊234b进行相位调节的能力，从而，冲切片互相对准地层叠到薄片210上。
剥离构图接合材料薄片的衬垫，并且缠绕在废弃衬垫辊214a上。除去此衬垫提供具有暴露接合材料/膜/接合材料/衬垫结构的薄片226。垫圈材料卷216a由第一旋转模具236a和支承辊240c冲切，使用真空或其它方法收集废弃的垫圈材料220a。冲切的垫圈材料通过压送辊238c而被辊层压到暴露接合材料/膜层板226的顶面上，形成垫圈/接合材料/膜/接合材料/衬垫层板228。
还剥离层板228底侧的衬垫，形成层板230，并且，所述衬垫缠绕在废弃衬垫辊214b上。层板230具有垫圈/接合材料/膜/接合材料结构。第二垫圈材料卷216b由第二旋转模具236b和支承辊240d冲切，使用真空或其它方法收集废弃的垫圈材料220b。冲切的垫圈材料通过压送辊238d而被辊层压到层板230的暴露接合材料的底面上，形成垫圈/接合材料/膜/接合材料/垫圈层板232。
根据此实施例，图10的设备产生具有垫圈材料的燃料电池薄片，其中，通过在裸露膜上使用暴露作为窗口图案的接合材料(如接合剂或粘附剂)而在膜的顶面和底面上保留垫圈材料。应指出，一些构图接合材料在膜上保持暴露，因为垫圈冲切废片220a、220b比接合材料冲切废片218a、218b稍大一些。
优选产生层板230的第一冲切是用于剩余处理的主对准信号。每个模具应与薄片对准。应该在每个站点从支承辊单独驱动模具辊，因为支承辊还用作压送辊。应指出，薄片张力一般在1-2pli(磅/线英寸)的范围内，但此张力范围可以低至0.1pli-3pli。
图10所示设备提供几个相对于常规燃料电池制作方法的优点。一个优点涉及在连续燃料电池制造工艺中预先准备离聚物薄片膜(卷绕形式)并同时在其上附加燃料电池部件，以制造多层(如7层)燃料电池组件的独特工艺。另一优点涉及在膜上存在接合材料或剂并在催化剂区域的边缘暴露，因为使用附加在膜上的垫圈材料，所述垫圈材料具有比暴露的催化剂区域更大的窗口(冲切)。进一步的优点涉及卷状膜材料对于连续膜处理变得更稳定，因为在其上附加更坚韧的垫圈材料。
其它优点涉及在活性催化剂区域的边缘暴露接合材料，其中所述接合材料用于附加导电流体输送层(FTL)材料，这是多层燃料电池组件工艺的一部分。在活性区边缘上暴露的此接合材料也可用于密封从燃料电池组件的FTL泄漏的气体。
图11示出在连续制造工艺中把卷状FTL材料附加到已经预先准备的燃料电池膜薄片上的设备。例如，可组合以上讨论的图10设备和图11设备，以定义使用卷绕处理技术来构造多层燃料电池组件的单个设备。图12示出组合图10和11的预先准备和FTL材料附加设备的单个设备。
图11的设备在催化剂活性区的边缘上把卷状FTL材料附加到膜上。由于只在催化剂活性区的边缘上附加FTL材料，因此，燃料电池的性能没有衰减。通常，通过旋转模具从FTL材料薄片切割FTL材料部分。每个FTL材料部分借助真空而保持在模具表面上，并且精确地放置在膜薄片的垫圈内和/或接合材料窗口内。先前设置在膜薄片上的接合材料与FTL材料部分接触，把FTL材料部分粘贴在膜薄片的活性区上。
利用图11的设备，可用许多方法把FTL材料部分放置在膜薄片上。假设图10所示的层板232(垫圈/接合材料/膜/接合材料/垫圈层板)输入到图11所示的设备中。根据一种方法，旋转模具254a、254b每一个的图案都是所希望部分的准确形状。模具254a、254b以匹配的1∶1薄片速度旋转，并且，模具254a/254b与支承辊258a/258b的速度比也是1∶1。
第一FTL材料薄片256a通过压送辊259a而馈送到第一模具辊254a和支承辊258a。模具辊254a优选是真空模具辊。模具辊254a借助真空而保持切割的FTL部分，直到它层叠到层板232的顶面上为止，产生具有FTL/垫圈/接合材料/膜/接合材料/垫圈结构的层板250，除此之外还产生优秀的催化剂/FTL界面。废弃的FTL材料缠绕在废片辊(未示出)上。
相似地，第二FTL材料薄片256b通过压送辊259b而馈送到第二旋转模具辊254b和支承辊258b。模具辊254b借助真空而保持切割的FTL部分，直到它层叠到层板250的底面上产生层板252为止。层板252具有FTL/垫圈/接合材料/膜/接合材料/垫圈/FTL结构。
根据使用图11设备的另一种方法，旋转模具254a/254b和特殊支承辊258a/258b配置为配对组。在这点上，模具254a/254b和支承辊258a/258b设计成允许模具辊表面速度与支承辊表面速度之比等于燃料电池部分尺寸与FTL部分尺寸之比。
为了实现此目的，借助真空而在各个支承辊258a、258b上保持FTL薄片256a、256b，并且，通过各个支承辊258a、258b与橡胶压送辊259a、259b形成的辊隙而控制FTL薄片速度。模具辊254a、254b以更高的表面速度旋转，但不拉动各个FTL薄片256a、256b。当冲刀转回来时，切割FTL薄片256a、256b，并且，借助真空而在模具辊254a、254b上保持切割的FTL部分。由于各个模具和支承辊，254a/254b和258a/258b之间的表面速度差，在切割的FTL与FTL薄片256a、256b之间有分离。冲刀通过光纤传感器和伺服控制模具站而对准膜薄片。
每个切割的FTL部分放置在相关垫圈窗口的中心。在一种配置中，通过光学传感器，如光纤传感器，而监视垫圈窗口中心内的FTL部分的对准。借助实例，并结合图11，一个传感器拾取薄片232上的窗口，并且，布置第二传感器以拾取模具辊254a上的或附加到模具辊254a上的标记，在这，所述标记与每个模腔相对应。布置第三传感器，以拾取模具辊254b上的或附加到模具辊254b上的标记。
根据优选方法，在接合材料薄片中切割的窗口是最小的尺寸。垫圈窗口是最大的尺寸，并且，FTL补片切割得适合安装在垫圈窗口内，并且完全覆盖接合材料窗口的边缘。每个FTL补片与从相应接合材料窗口的内缘向内突出的接合点接触。
图11所示的FTL附加设备在连续制作工艺中有利地切割卷状FTL材料，借助真空保持冲切的FTL片，并且在燃料电池垫圈窗口内精确地放置FTL片。希望在模具站的旋转钢模上附加一层或多层薄泡沫材料(如厚度2密耳)，从而，在切割时，可在FTL材料上更好地维持真空。进一步希望只使用旋转模具的外孔，以增强真空模具的性能。应指出，应该控制被冲切的FTL补片的边缘的突出物，并维持最低水平，从而，当把FTL附加到膜的垫圈窗口时不发生膜的撕裂。
图13示出另外的薄片加工站，所述加工站可用于提高在图12所示设备的输出中产生的层板252的密封性。应指出，在图13的转鼓260的左边示出的设备部件是在图12中描绘的部件。如前面所讨论的，层板252具有FTL/垫圈/接合材料/膜/接合材料/垫圈/FTL结构。在图13所示的实施例中，具有相对较大半径的转鼓260优选加热到足以激活层板252的接合材料并且提供良好催化剂/FTL界面的适当温度。当层板252绕着转鼓260的外表面卷动时，辊262与转鼓260合作，使层板252处于张力之下。在层板252与转鼓260之间产生的张力用于使层板结构在热密封处理过程中处于受控大小的压力之下。
转鼓260的尺寸、层板旋转速度、层板252与转鼓表面的总接触时间、以及张力大小是可选择的几个加工参数，以实现适当水平的层板密封以及优秀的催化剂/FTL界面。可基于层板结构中所用的具体材料而调整这些加工参数，以使层板密封性优化。可以理解，图13所示类型的密封设备在燃料电池材料选择和性能特性方面提供增强的灵活性。应该理解，可以使用其它密封设备来对层板252进行进一步的处理。其它这样的密封设备例如包括使用UV固化、加热(如固化炉)、RF激活以及e-束激活的设备。
如前面所讨论的，卷状燃料电池薄片，如根据上述实施例产生的薄片，可通过模制站进一步加工，在流场板对之间包围燃料电池薄片的各个燃料电池组件。在一种方法中，并且如图14A所示，模制站300可配置为接收燃料电池组件薄片。模制站300包括两个半模302和304，所述半模302和304通过常规的模具/夹具机构而相对运动。在图14A所示的实施例中，上半模302可相对于静止的下半模304在垂直平面内运动。在此配置中，上、下半模包括模腔。应指出，所述半模包括单个模腔或多个模腔。
通常，输入薄片的一个或多个燃料电池组件在上、下半模302和304之间输送。每个燃料电池组件与模腔对准。可使用对准传感器，如光学传感器，以确保料电池组件与它们各自的模腔准确对齐。在模制站300的夹具机构产生的挤压力的作用下，上半模302移动，与下半模304啮合。在模腔中引入适于构造流场板的材料。例如，所述材料可被注入或以预制形状添加。
在完成冲击并在适当的固化时间到期之后，上半模302向上移动，并且，与下半模304脱离啮合。接着，从下半模304的模腔移开包围的燃料电池组件(即UCA)。应指出，可在上、下半模腔的表面上喷射或分散脱模剂，以促进模制UCA与模腔的分离。进一步指出，染色剂、UV保护剂以及其它药剂可引入到注入材料中，或喷射到模腔内，以增强模制UCA的美观和/或耐久性。
以卷状形式接收通过上述自动化连续薄片加工方法产生的输入燃料电池薄片。然而，应理解，可使用本发明的在线流场板模制方法，以包围通过其它方式产生的卷状的或单个的燃料电池组件。
在另一方法中，例如，输入到模制站300中的燃料电池薄片可以是在图12或图13所示设备输出中产生的层板252。根据此方法，需要中间站来协调图12或图13所示设备的输出与模制站300的输入之间的任何薄片速度差。优选地，通过在模制站300使模制速率(包括冲击时间和固化持续时间)与图12或图13所示设备的薄片加工速率相匹配而使任何这样的速度差最小。
根据另一实施例，模制站300可配置为把流场板模制成具有活动铰链、输送带或其它互锁布置的连续薄片，如设置在相邻板之间的锥形孔和插头布置。模制材料也可在流场板的集流腔周围执行垫圈功能。
从图14B和14C可看出，模具可设计成允许在其上过度模制材料，形成与前一模制板的接合，因而形成连续的流场板薄片。图14B示出在模制站300中在时间t1时，在流场板306后部的活动铰链的第一部分310。图14C示出活动铰链的第二部分312，其中，在模制站中在时间t2时，通过从下一相邻的流场板308过度模制材料进入前面模制的流场板306的第一部分310内，而创造第二部分312，以与第一部分310啮合。图14C所示的活动铰链几何形状(314)允许相邻流场板之间的连通性以及薄片的挠曲。在相邻流场板之间形成凹陷314，以增强薄片的挠曲并且从UCA薄片分离单个UCA。
根据另一方法，如图15所示，模制站300配置有产生输送带的半模，以便在连续薄片中连接相邻的板。在一种方法中，使用第一冲击来模制流场板400与输送带402a、402b，在此第一冲击之后，狭窄间隙分离流场板400与输送带402a、402b。第二过模冲击把材料注入到此狭窄间隙中，以连接流场板400与输送带402a、402b。可在输送带402a、402b中形成对准孔，有利于后续的缠绕和/或分离处理。
图16A和16B示出模制流场板以形成连续薄片的另一方法。根据此方法，在第一冲击过程中，在第一流场板500a的角落中模制倒锥形孔502。在形成相邻流场板500b的第二过模冲击过程中，第二次冲击的材料至少流入前一模制的板500a的倒锥形孔502中，以形成插头504。可在相邻流场板500a、500b的每个角落形成此孔和插头互锁布置。
根据本发明产生的流场板薄片可卷起，成为将来组装的卷状。可替换地，并且如图17所示，流场板薄片可直接馈送到UCA组装线，在此情况下，可使用两次压制，每一次压制都制作用于UCA每一侧的薄片，如图17所示。
图17所示UCA组装站600包括产生第一流场板薄片606的第一模制站601和产生第二流场板薄片608的第二模制站603。输送MEA薄片606，以使MEA薄片604的各个MEA 604a与第一和第二流场板薄片606、608的一对流场板606a、608a对准。在包围各对流场板606a、608a之间的MEA 606a之后，可通过密封站和/或缠绕站对得到的UCA薄片610进行进一步的处理。随后，对密封UCA的薄片610进行分离处理，以从UCA薄片610分离各个UCA。
前面描述的本发明各个实施例是用于说明和描述的目的。不是用于排它性的或用于把本发明限制在公开的准确形式上。根据以上论述，有可能作出许多修改和改变。例如，可替代使用非旋转方法和设备，例如通过使用本领域中众所周知的平模处理和设备、分段和重复处理和设备、拾取和放置处理和设备、间歇运动处理和设备、以及分度和冲压切割处理和设备，来实现结合附图描述的各种旋转切割、层叠和输送处理。应指出，本发明的范围不由此详细描述限制，而是由后附权利要求限制。
权利要求
1.一种连续产生多层燃料电池材料薄片的方法，包括在包括燃料电池膜的薄片的第一和第二表面上层叠第一和第二薄片，其中，所述第一和第二薄片每一个都包括接合材料并具有分隔开的窗口，膜薄片的第一和第二活性区位于各个接合材料窗口内；分别在布置于膜薄片第一和第二表面上的接合材料上层叠第三和第四薄片，其中，所述第三和第四薄片每一个都包括垫圈材料并具有分隔开的窗口，接合材料的窗口与垫圈材料的各个窗口对齐，从而，至少一些接合材料在各个垫圈材料窗口内延伸；以及在膜薄片的第一和第二活性区上分别层叠从包括FTL材料的第五和第六薄片切割的流体输送层(FTL)材料部分，其中，FTL材料部分位于各个垫圈材料窗口内，并且与在各个垫圈材料窗口内延伸的接合材料接触。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所有层叠处理都包括旋转层叠处理。
3.如权利要求1所述的方法，其中，至少一些层叠处理包括旋转层叠处理。
4.如权利要求1所述的方法，其中，第五和第六FTL材料薄片中的一个包括阳极催化剂，而第五和第六FTL材料薄片中的另一个包括阴极催化剂。
5.如权利要求1所述的方法，其中，膜薄片的第一和第二活性区中的一个包括阳极催化剂，而膜薄片的第一和第二活性区中的另一个包括阴极催化剂。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括旋转切割第一和第二接合材料薄片，以产生分隔开的窗口。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括旋转切割第三和第四垫圈材料薄片，以产生分隔开的窗口。
8.如权利要求1所述的方法，其中，第三和第四垫圈材料薄片的窗口比第一和第二接合材料薄片的窗口更大。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括旋转切割第五和第六FTL材料薄片，以产生FTL材料部分。
10.如权利要求1所述的方法，其中，把FTL材料部分切割成基本等于膜薄片活性区尺寸的尺寸。
11.如权利要求1所述的方法，进一步包括当在膜薄片的第一和第二活性区上分别层叠FTL材料部分时，在真空下旋转移动FTL材料部分。
12.如权利要求1所述的方法，进一步包括当在膜薄片的第一和第二表面上层叠第一和第二接合材料薄片时，光学检测各个接合材料窗口相对于膜薄片第一和第二活性区的位置。
13.如权利要求1所述的方法，进一步包括当在布置于膜薄片第一和第二表面上的接合材料上层叠第三和第四垫圈材料薄片时，光学检测各个垫圈材料窗口相对于膜薄片第一和第二活性区的位置。
14.如权利要求1所述的方法，进一步包括当在膜薄片的第一和第二活性区上分别层叠FTL材料部分时，光学检测FTL材料部分相对于各个垫圈材料窗口和膜薄片第一和第二活性区中一个或两个的位置。
15.如权利要求1所述的方法，在把第三和第四垫圈材料薄片层叠到布置于膜薄片第一和第二表面上的接合材料上之前，除去第一和第二接合材料薄片的衬垫，以使接合材料暴露。
16.如权利要求1所述的方法，进一步包括把多层燃料电池材料薄片和衬垫缠绕成卷。
17.如权利要求1所述的方法，进一步包括分离多层燃料电池材料薄片，以产生多个离散的燃料电池片。
18.如权利要求1所述的方法，其中，基本同时地执行与膜薄片第一和第二表面有关的所有层叠处理。
19.如权利要求1所述的方法，其中，基本同时地执行至少一些与膜薄片第一和第二表面有关的层叠处理。
20.如权利要求1所述的方法，进一步包括使用热和压力密封产生的燃料电池材料薄片。
21.如权利要求1所述的方法，进一步包括使用热和压力旋转密封产生的燃料电池材料薄片。
22.一种连续产生在一对流场板之间或在垫圈层之间并与之一起使用的多层燃料电池材料薄片的方法，包括切割包括接合材料的第一薄片，在第一薄片中产生分隔开的第一窗口，第一窗口包括沿着第一窗口边缘设置的接合点；切割包括接合材料的第二薄片，在第二薄片中产生分隔开的第二窗口，第二窗口包括沿着第二窗口边缘设置的接合点；提供包括燃料电池膜的薄片，所述膜薄片具有分别布置在膜薄片的第一和第二表面上的活性区；在膜薄片的第一表面上层叠第一接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第一表面的活性区位于第一窗口内；在膜薄片的第二表面上层叠第二接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第二表面的活性区位于第二窗口内；以及在膜薄片第一和第二表面的活性区上分别层叠从包括FTL材料的第四和第五薄片切割的流体输送层(FTL)材料部分，其中，每个FTL材料部分分别与第一和第二窗口的接合点接触。
23.如权利要求22所述的方法，其中，第一和第二接合材料薄片的第二表面分别包括脱模衬垫。
24.如权利要求23所述的方法，进一步包括在第一和第二接合材料薄片的各个第二表面上除去脱模衬垫；以及使流场板或垫圈层与第一和第二接合材料薄片的每个第二表面粘附啮合。
25.如权利要求22所述的方法，其中，所有层叠处理都包括旋转层叠处理。
26.如权利要求22所述的方法，其中，至少一些层叠处理包括旋转层叠处理。
27.如权利要求22所述的方法，其中，所有切割处理都包括旋转层叠处理。
28.如权利要求22所述的方法，其中，至少一些切割处理包括旋转层叠处理。
29.如权利要求22所述的方法，其中，第四和第五FTL材料薄片中的一个包括阳极催化剂，而第四和第五FTL材料薄片中的另一个包括阴极催化剂。
30.如权利要求22所述的方法，其中，第一和第二膜薄片表面中一个的活性区包括阳极催化剂，而第一和第二膜薄片表面中另一个的活性区包括阴极催化剂。
31.如权利要求22所述的方法，进一步包括旋转切割第四和第五FTL材料薄片，以产生FTL材料部分。
32.如权利要求22所述的方法，进一步包括当在第一和第二膜薄片表面的活性区上层叠FTL材料部分时，在真空下旋转移动FTL材料部分。
33.如权利要求22所述的方法，进一步包括当在第一和第二膜薄片表面上层叠第一和第二接合材料薄片时，光学检测第一和第二接合材料窗口相对于第一和第二膜薄片表面的活性区的位置。
34.如权利要求22所述的方法，进一步包括当在第一和第二膜薄片表面的活性区上层叠FTL材料部分时，光学检测FTL材料部分相对于第一和第二膜薄片表面的活性区的位置。
35.如权利要求22所述的方法，进一步包括把多层燃料电池材料薄片和衬垫缠绕成卷。
36.如权利要求22所述的方法，进一步包括分离多层燃料电池材料薄片，以产生多个离散的燃料电池材料片。
37.如权利要求22所述的方法，其中，基本同时地执行与膜薄片第一和第二表面有关的所有层叠处理。
38.如权利要求22所述的方法，其中，基本同时地执行至少一些与膜薄片第一和第二表面有关的层叠处理。
39.如权利要求22所述的方法，进一步包括使用热和压力密封产生的燃料电池材料薄片。
40.如权利要求22所述的方法，进一步包括使用热和压力旋转密封产生的燃料电池材料薄片。
41.一种连续产生多层燃料电池组件的方法，包括对膜材料薄片、第一接合薄片以及包括流体输送层(FTL)材料的第一薄片进行处理，形成膜电极组件(MEA)薄片的第一表面；对膜材料薄片、第二接合薄片以及包括FTL材料的第二薄片进行处理，形成MEA薄片的第二表面；提供第一流场板；提供第二流场板；以及在各对第一和第二流场板之间包围MEA薄片的每一个MEA。
42.如权利要求41所述的方法，其中提供第一和第二流场板包括提供包括第一流场板的第一薄片和包括第二流场板的第二薄片；以及所述方法进一步包括使第一和第二薄片与MEA薄片对准。
43.如权利要求41所述的方法，其中，提供第一和第二流场板进一步包括提供包括第一流场板的第一薄片；以及提供包括第二流场板的第二薄片。
44.如权利要求41所述的方法，其中，提供第一和第二流场板进一步包括模制聚合材料，以产生第一流场板；以及模制聚合材料，以产生第二流场板。
45.如权利要求41所述的方法，其中，提供第一和第二流场板进一步包括模制聚合材料，以产生第一流场板的第一薄片；以及模制聚合材料，以产生第二流场板的第二薄片。
46.一种连续产生多层燃料电池组件的方法，包括产生连续的膜电极组件(MEA)薄片，包括提供包括接合材料的第一薄片，所述第一薄片具有分隔开的第一窗口，第一窗口包括沿着第一窗口边缘设置的接合点；提供包括接合材料的第二薄片，所述第二薄片具有分隔开的第二窗口，第二窗口包括沿着第二窗口边缘设置的接合点；提供包括燃料电池膜的薄片，所述膜薄片具有分别布置在膜薄片的第一和第二表面上的活性区；在膜薄片的第一表面上层叠第一接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第一表面的活性区位于第一窗口内；在膜薄片的第二表面上层叠第二接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第二表面的活性区位于第二窗口内；在膜薄片第一和第二表面的活性区上分别层叠从包括FTL材料的第四和第五薄片切割的流体输送层(FTL)材料部分，其中，每个FTL材料部分分别与第一和第二窗口的接合点接触；提供第一流场板的连续薄片；提供第二流场板的连续薄片；以及在各对第一和第二流场板之间包围每个MEA。
47.如权利要求46所述的方法，进一步包括使第一和第二流场板的每一个薄片都与MEA薄片对准。
48.如权利要求46所述的方法，其中，提供第一和第二流场板的连续薄片包括与产生MEA基本同时地模制材料，以形成第一和第二流场板的连续薄片。
49.如权利要求48所述的方法，其中，所述材料包括碳/聚合物复合材料。
50.如权利要求46所述的方法，其中，提供第一和第二流场板的连续薄片包括模制材料，形成在第一流场板的相邻板之间以及在第二流场板的相邻板之间的互锁布置。
51.如权利要求46所述的方法，其中，提供第一和第二流场板的连续薄片包括模制材料，形成在第一流场板的相邻板之间以及在第二流场板的相邻板之间的活动铰链。
52.如权利要求46所述的方法，其中，提供第一和第二流场板的连续薄片包括模制材料，沿着第一流场板的相对侧并且沿着第二流场板的相对侧形成输送带。
53.如权利要求46所述的方法，其中，提供第一和第二流场板的连续薄片包括模制材料，在第一流场板的相邻板的角落中并在第二流场板的相邻板的角落中形成插头和孔互锁布置。
54.如权利要求46所述的方法，进一步包括把多层燃料电池组件缠绕成卷。
55.如权利要求46所述的方法，进一步包括对多层燃料电池组件作用热和压力，在各对第一和第二流场板内密封MEA。
56.如权利要求46所述的方法，其中，第四和第五FTL材料薄片中的一个包括阳极催化剂，而第四和第五FTL材料薄片中的另一个包括阴极催化剂。
57.如权利要求46所述的方法，其中，第一和第二膜表面中的一个包括阳极催化剂，而第一和第二膜表面中的另一个包括阴极催化剂。
58.一种连续产生多层燃料电池材料薄片的设备，包括配置为切割包括接合材料的第一薄片的第一切割站，其中，第一切割站包括配置为在第一薄片内产生分隔开的第一窗口的第一切割机构，第一窗口包括沿着第一窗口边缘设置的接合点；配置为切割包括接合材料的第二薄片的第二切割站，其中，第二切割站包括配置为在第二薄片内产生分隔开的第二窗口的第二切割机构，第二窗口包括沿着第二窗口边缘设置的接合点；配置为输送膜薄片的膜薄片输送机构，所述膜薄片包括燃料电池膜，所述燃料电池膜具有分别布置在膜薄片的第一和第二表面上的活性区；第一层叠站，所述第一层叠站配置为在膜薄片的第一表面上层叠第一接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第一表面的活性区位于第一窗口内；第二层叠站，所述第二层叠站配置为在膜薄片的第二表面上层叠第二接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第二表面的活性区位于第二窗口内；以及第三层叠站，所述第三层叠站配置为在膜薄片第一表面的活性区上层叠第一流体输送层(FTL)补片，其中，每个第一FTL补片与第一窗口的接合点接触；以及第四层叠站，所述第四层叠站配置为在膜薄片第二表面的活性区上层叠第二FTL补片，其中，每个第二FTL补片与第二窗口的接合点接触。
59.如权利要求58所述的设备，其中，第一和第二切割机构分别包括旋转切割模具和旋转支承。
60.如权利要求58所述的设备，其中，第一和第二层叠站分别包括压送辊。
61.如权利要求60所述的设备，其中，第一和第二切割机构分别包括旋转切割模具和旋转支承，各个旋转支承作为分别用于第一和第二层叠站的一个压送辊。
62.如权利要求58所述的设备，进一步包括配置为接收第一FTL材料薄片的第三切割站，所述第三切割站包括配置为从第一FTL材料薄片切割第一FTL补片的第三切割机构；以及配置为接收第二FTL材料薄片的第四切割站，所述第四切割站包括配置为从第二FTL材料薄片切割第二FTL补片的第四切割机构。
63.如权利要求62所述的设备，其中，第三和第四切割机构分别包括旋转切割模具和旋转支承。
64.如权利要求62所述的设备，其中，第三和第四层叠站分别包括压送辊。
65.如权利要求64所述的设备，其中，第三和第四切割机构分别包括旋转切割模具和旋转支承，各个旋转支承作为分别用于第三和第四层叠站的一个压送辊。
66.如权利要求58所述的设备，进一步包括第五层叠站，所述第五层叠站配置为在第一膜薄片表面上的第一接合材料薄片上层叠第一垫圈材料薄片；以及第六层叠站，所述第六层叠站配置为在第二膜薄片表面上的第二接合材料薄片上层叠第二垫圈材料薄片。
67.如权利要求66所述的设备，进一步包括包括第五切割机构的第五切割站，所述第五切割机构配置为在第一垫圈材料薄片中切割分隔开的窗口；以及包括第六切割机构的第六切割站，所述第六切割机构配置为在第二垫圈材料薄片中切割分隔开的窗口。
68.如权利要求67所述的设备，其中，第五和第六切割机构分别包括旋转切割模具和旋转支承。
69.如权利要求67所述的设备，其中，第五和第六层叠站分别包括压送辊。
70.如权利要求69所述的设备，其中，第五和第六切割机构分别包括旋转切割模具和旋转支承，各个旋转支承作为分别用于第五和第六层叠站的一个压送辊。
71.如权利要求58所述的设备，进一步包括配置为接收产生的燃料电池材料薄片的密封站，所述密封站对燃料电池材料薄片作用热和压力。
72.如权利要求71所述的设备，其中，密封站包括密封转鼓和张紧辊，通过密封转鼓和张紧辊之间的协作，产生的燃料电池材料薄片在压力下与密封转鼓的外围接触。
73.如权利要求58所述的设备，进一步包括模制系统，所述模制系统包括第一和第二模制站，其中，第一模制站配置为模制聚合材料，以产生第一流场板，第二模制站配置为模制聚合材料，以产生第二流场板；以及组装站，所述组装站配置为在各对第一和第二流场板之间包围产生的燃料电池材料薄片的每个MEA。
74.如权利要求73所述的设备，其中，第一和第二模制站配置为产生第一和第二流场板的连续薄片。
75.如权利要求74所述的设备，其中，第一和第二模制站配置为形成在第一流场板的相邻板之间以及在第二流场板的相邻板之间的活动铰链。
76.如权利要求74所述的设备，其中，第一和第二模制站配置为沿着第一流场板的相对侧并且沿着第二流场板的相对侧形成输送带。
77.如权利要求74所述的设备，其中，第一和第二模制站配置为在第一流场板的相邻板的角落中并在第二流场板的相邻板的角落中形成插头和孔互锁布置。
78.如权利要求58所述的设备，进一步包括缠绕站，所述缠绕站配置把产生的燃料电池材料薄片缠绕成卷。
79.如权利要求58所述的设备，进一步包括分离站，所述分离站配置为分离燃料电池材料薄片，以产生多个离散的燃料电池材料片。
80.一种燃料电池组件，包括包括第一表面和第二表面的膜，所述第一和第二表面分别包括第一和第二活性区；第一接合层，所述第一接合层具有与膜的第一表面接触的第一表面并且包括与膜的第一活性区对齐的第一窗口，第一窗口包括与第一活性区接触的接合材料突出物；第二接合层，所述第二接合层具有与膜的第二表面接触的第一表面并且包括与膜的第二活性区对齐的第二窗口，第二窗口包括与第二活性区接触的接合材料突出物；布置在第一接合层的第二表面上的第一垫圈层，所述第一垫圈层包括与第一接合层的第一窗口对齐的第三窗口；布置在第二接合层的第二表面上的第二垫圈层，所述第二垫圈层包括与第二接合层的第二窗口对齐的第四窗口；与膜的第一表面接触的第一流体输送层(FTL)，第一FTL的边缘至少与第一窗口的接合材料突出物接触；与膜的第二表面接触的第二FTL，第二FTL的边缘至少与第二窗口的接合材料突出物接触；布置在第一和第二活性区中的一个上的阳极催化剂；以及布置在第一和第二活性区中的另一个上的阴极催化剂。
81.如权利要求80所述的组件，其中，第一和第二窗口的接合材料突出物分别定义第一和第二窗口的多个边缘部分。
82.如权利要求80所述的组件，其中，多个边缘部分分别定义第一和第二窗口的连续边缘。
83.如权利要求80所述的组件，其中，第一和第二窗口的接合材料突出物分别定义沿着第一和第二窗口边缘布置的向内突出的多个指状物。
84.如权利要求80所述的组件，其中，第一和第二接合层包括热激活接合。
85.如权利要求80所述的组件，其中，第一和第二接合层包括热接合材料。
86.如权利要求80所述的组件，其中，第一和第二接合层包括压敏激活。
87.如权利要求80所述的组件，其中，第一和第二接合层包括接合剂。
88.如权利要求80所述的组件，其中，第一和第二接合层包括光固化接合剂。
89.如权利要求80所述的组件，其中，第一和第二垫圈的第三和第四窗口分别比第一和第二接合层的第一和第二窗口更大。
90.如权利要求80所述的组件，其中，布置多个燃料电池组件。以定义燃料电池组件薄片。
91.如权利要求80所述的组件，其中，燃料电池组件定义质子交换膜燃料电池组件。
92.一种在一对流场板之间或在垫圈层之间并与之一起使用的燃料电池子组件，包括包括第一表面和第二表面的膜，所述第一和第二表面分别包括第一和第二活性区；第一接合层，所述第一接合层具有与膜的第一表面接触的第一表面并且包括与膜的第一活性区对齐的第一窗口，第一窗口包括与第一活性区接触的接合材料突出物；第二接合层，所述第二接合层具有与膜的第二表面接触的第一表面并且包括与膜的第二活性区对齐的第二窗口，第二窗口包括与第二活性区接触的接合材料突出物；与膜的第一表面接触的第一流体输送层(FTL)，第一FTL的边缘至少与第一窗口的接合材料突出物接触；与膜的第二表面接触的第二FTL，第二FTL的边缘至少与第二窗口的接合材料突出物接触；布置在第一和第二活性区中的一个上的阳极催化剂；以及布置在第一和第二活性区中的另一个上的阴极催化剂。
93.如权利要求92所述的子组件，进一步包括与第一FTL以及第一接合层的第二表面接触的第一流场板；以及与第二FTL以及第二接合层的第二表面接触的第二流场板。
94.如权利要求92所述的组件，其中，第一和第二窗口的接合材料突出物分别定义第一和第二窗口的多个边缘部分。
95.如权利要求94所述的组件，其中，多个边缘部分分别定义第一和第二窗口的连续边缘。
96.如权利要求92所述的组件，其中，第一和第二窗口的接合材料突出物分别定义沿着第一和第二窗口边缘布置的向内突出的多个指状物。
97.如权利要求92所述的组件，其中，第一和第二接合层包括热激活接合。
98.如权利要求92所述的组件，其中，第一和第二接合层包括热接合材料。
99.如权利要求92所述的组件，其中，第一和第二接合层包括压敏激活。
100.如权利要求92所述的组件，其中，第一和第二接合层包括接合剂。
101.如权利要求92所述的组件，其中，第一和第二接合层包括光固化接合剂。
102.如权利要求92所述的组件，其中，布置多个燃料电池子组件，以定义燃料电池子组件薄片。
103.如权利要求92所述的组件，其中，燃料电池子组件定义质子交换膜燃料电池子组件。
全文摘要
制作卷状燃料电池材料包括在燃料电池膜薄片的第一和第二表面上层叠第一和第二接合材料薄片，其中，所述第一和第二接合材料薄片具有分隔开的窗口。膜薄片的第一和第二活性区位于各个接合材料窗口内。分别在第一和第二膜薄片表面上的接合材料上层叠具有分隔开的窗口的第三和第四垫圈材料薄片。接合材料窗口与各个垫圈材料窗口对齐，从而，至少一些接合材料在各个垫圈材料窗口内延伸。在第一和第二活性区上分别层叠从第五和第六FTL材料薄片切割的流体输送层(FTL)材料部分。FTL材料部分位于各个垫圈材料窗口内，并且与在各个垫圈材料窗口内延伸的接合材料接触。
文档编号H01M8/10GK1795575SQ200480014797
公开日2006年6月28日 申请日期2004年4月2日 优先权日2003年5月28日
发明者戴维·R·麦卡拉, 唐纳德·G·彼得森, 丹尼斯·E·弗格森, 杜安·D·范斯勒 申请人:3M创新有限公司