专利名称：采用子垫片式节约膜的燃料电池子组件的制作方法
技术领域：
本发明整体涉及燃料电池子组件以及用于制造燃料电池子组件的系统。
背景技术：
燃料电池是一种通过混合氢燃料和空气中的氧而生成电、热及水的电化学装置。燃料电池不利用燃烧，因此，燃料电池几乎不会产生危害性流出物。燃料电池直接将氢燃料和氧转化为电能，较之例如内燃发电机，其效率高得多。典型的燃料电池电源系统包括电源部分，其中提供了一个或多个燃料电池堆。燃料电池电源系统的功效部分地取决于单个燃料电池内部和相邻燃料电池堆之间的各种接触和密封界面的完整性。可将子垫片部署在燃料电池的电解质膜上以密封燃料电池的活性区域并为电解质膜提供尺寸稳定性。在压力下，电池堆中的燃料电池组件的边缘可能导致膜上局部应力集中，这可能导致燃料电池失效。子垫片为膜提供支承，以降低该失效机制的发生率。
发明内容
实施例涉及具有多个单个电解质膜的燃料电池卷材子组件。一个或多个第一子垫片附接到单个电解质膜。每个第一子垫片具有至少一个孔，并且第一子垫片被布置为使得单个电解质膜的中心区域的第一表面通过第一子垫片的孔暴露出来。第二子垫片包括具有多个孔的幅材。第二子垫片幅材被布置为使得单个电解质膜的中心区域的第二表面通过第二子垫片幅材的孔暴露出来。其他实施例包括具有子垫片幅材的燃料电池卷材子组件，所述子垫片幅材具有附接到多个单个电解质膜的多个孔。子垫片幅材被布置为使得单个电解质膜的中心区域的表面通过子垫片幅材的孔暴露出来。一些实施例涉及包括电解质膜的燃料电池组合件，所述电解质膜具有粘附于电解质膜的第一子垫片。第一子垫片具有朝向电解质膜定向的第一子垫片表面以及设置在第一子垫片表面上的第一粘合剂层。燃料电池组合件包括第二子垫片，其具有朝向电解质膜定向的第二子垫片表面。第二子垫片在第二子垫片表面的大部分上不包括第二粘合剂层。燃料电池卷材子组件包括多个单个电解质膜，每个单个电解质膜具有中心区域。一个或多个第一子垫片粘附于各个单个电解质膜，每个第一子垫片具有至少一个孔。第一子垫片被布置为使得单个电解质膜的中心区域通过第一子垫片的孔暴露出来。燃料电池卷材组件还包括第二子垫片，其包括具有多个孔的幅材。第二子垫片幅材被布置为使得单个电解质膜中心区域的第二表面通过第二子垫片幅材的孔暴露出来。粘合剂层未设置在第二子垫片表面的大部分上。制造燃料电池卷材子组件的自动化卷对卷方法包括提供具有多个孔的细长第一子垫片幅材与多个单个电解质膜之间的相对移动。将单个电解质膜与第一子垫片幅材对齐，使得每个电解质膜的中心区域与第一子垫片幅材的孔对齐。将单个电解质膜附接到第一子垫片幅材。根据一种实施方式，可将第一子垫片幅材切成多个单个的子垫片式膜。具有多个孔的第二子垫片幅材与所述多个单个的子垫片式膜对齐，使得每个电解质膜的中心区域与第二子垫片幅材的孔对齐。各个单个子垫片式膜附接到第二子垫片幅材。根据另一种实施方式，具有多个孔的第二子垫片幅材可与第一子垫片幅材对齐并附接到第一子垫片幅材上，所述第一子垫片幅材具有附接到其上的单个膜。
本发明的以上概述并非旨在说明本发明所公开的每个实施例或本发明的每种实施方式。结合附图并参照下文的具体实施方式
以及所附权利要求书，再结合对本发明比较完整的理解，本发明的优点和成效将变得显而易见并且为人所领悟。
图I示出典型燃料电池及其基本操作；图2A、2B和2C为采用节约式电解质膜和单面粘合剂子垫片的燃料电池子组件的平面视图和横截面视图；图2D为采用图2A的子垫片式膜和催化剂涂覆的气体扩散层的五层膜电极组件的横截面视图；图2E-2G示出各种子垫片式电解质膜，其中至少一个子垫片层的大部分不具有粘合剂；图2H示出子垫片式电解质膜，其中至少一个子垫片层的一部分包括能减轻膜移动的表面处理；图3A为具有单面粘合剂子垫片的节约式催化剂涂覆的膜的横截面；图3B为采用图3A的子垫片式催化剂涂覆的膜的五层MEA的横截面视图；图3C示出采用半个子垫片式CCM的MEA ；图4示出包括燃料电池子组件幅材的燃料电池卷材；图5A-5C为包括多个级联在一起的燃料电池子组件的燃料电池子组件幅材的平面视图、y方向和X方向的横截面视图；图5D、5E和5F分别为采用图5A的燃料电池子组件幅材的五层MEA幅材的平面视图、y方向和X方向的横截面视图；图5G和5H分别为包括多个具有单个电解质膜的级联在一起的燃料电池子组件和单个第一子垫片的燃料电池子组件幅材的平面视图和横截面视图；图51和5J分别为采用图5G的燃料电池子组件幅材的五层MEA幅材的平面视图和横截面视图；图6A-6C示出在X和y方向上具有CCM节约的燃料电池子组件幅材；
图6D、6E和6F示出使用图6A的燃料电池子组件幅材形成的五层MEA幅材；图6G和6H分别为包括多个具有单个CCM的级联在一起的燃料电池子组件和单个第一子垫片的燃料电池子组件幅材的平面视图和横截面视图；图61和6J分别为采用图6G的燃料电池子组件幅材的五层MEA幅材的平面视图和横截面视图；图7A-7F示出燃料电池子组件幅材，其包括X和y方向的电解质膜节约，且具有在第一和第二子垫片层上具有粘合剂的子垫片；图7G和7H分别为包括多个具有单个电解质膜的级联在一起的燃料电池子组件和单个第一子垫片的燃料电池子组件幅材的平面视图和横截面视图；图71和7J分别为采用图7G的燃料电池子组件幅材的五层MEA幅材的平面视图和横截面视图；
图8A-8F示出燃料电池子组件幅材，其包括x和y方向的CCM节约，且具有在第一和第二子垫片层上具有粘合剂的子垫片；图8G和8H为包括多个具有单个电解质膜的级联在一起的燃料电池子组件和单个CCM的燃料电池子组件幅材的平面视图和横截面视图；图81和8J分别为采用图8G的燃料电池子组件幅材的五层MEA幅材的平面视图和横截面视图；图9为示出用于制造子垫片式燃料电池子组件幅材的工艺的工艺流程图；图10A-10D示出被构造为生产X和y节约的燃料电池子组件的卷对卷系统的各种子系统，所述子组件包括子垫片式膜幅材、单个子垫片式膜、五层MEA幅材、单个五层MEA和各种中间燃料电池子组件；图IIA-IIN为用图10A-10D的子系统生产的输入、中间和/或输出子组件幅材或子组件的X方向(幅材纵向)横截面；图12A和12B示出用于预处理电解质膜的可选子系统；图13A为发泡真空压模滚轮的横截面示意图；图13B为发泡真空压模滚轮的实施例和用于制造发泡真空压模滚轮的工艺；图14示出温度测试前具有双面粘合剂子垫片的样品MEA构造；图15示出温度测试后图15的MEA构造；图16示出温度测试前在膜上采用单面粘合剂子垫片的MEA构造；以及图17示出温度测试后图18的MEA构造。虽然本发明可修改为各种修改形式和替代形式，但其具体细节已以举例的方式在附图中示出并且将会作详细描述。然而，应当理解，其目的不在于将本发明局限于所述具体实施例。相反，其目的在于涵盖落入所附权利要求所限定的本发明范围内的所有修改形式、等同形式和可供选择的形式。
具体实施例方式在下文对所举例说明的实施例的叙述中将参考构成本发明一部分的附图，并且在附图中以举例方式示出可以在其中实施本发明的多个实施例。应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以利用这些实施例，并且可以进行结构上的修改。
燃料电池110(不具有子垫片、垫片或密封件)的基本组件示于图I中。在工作中，氢燃料H2越过第一流体贯通口 112并通过气体扩散层(⑶L)114被引入燃料电池110的阳极部分中。在催化剂层115的表面上，氢燃料分解为氢离子(H+)和电子(e_)。电解质膜116只允许氢离子或质子和水通过电解质膜116到达燃料电池110的阴极催化剂层113。电子不能通过电解质膜116，而是以电流的形式从外部电路通过。该电流可以为诸如电动马达等电负载117提供电力或能被导入诸如可充电电池的能量贮藏装置。氧气O2流经第二流场板119并通过燃料电池110的阴极侧处的第二⑶L 118。在阴极催化剂层113的表面上，氧气、质子和电子结合生成水(H2O)和热量。单个燃料电池(例如图I所示的燃料电池110)可与多个其他燃料电池结合形成燃料电池堆。电池堆内燃料电池的数量决定了电池堆的总电压，每个电池的表面积决定了总电流。给定燃料电池堆产生的总电能可通过电池堆总电压与总电流的乘积确定。
燃料电池堆为密封结构。子垫片、垫片和/或密封件通常围绕电解质膜活性区域的周边部署。催化剂可以设置在膜的表面上、设置在GDL上，或者可以部分设置在GDL上并部分设置在膜上。子垫片和/或垫片可以在电解质膜的一个表面或两个表面的上面、上方或附近设置，和/或可以在GDL的一个表面或两个表面上设置，和/或可以在面向GDL的流体流板的一个表面或两个表面上设置。需要大批量生产MEA和/或燃料电池的其他子组件以将燃料电池发电的成本降低到使该技术能被纳入到更广泛应用的程度。除大批量生产外，部件成本的降低还促使最终产品总成本的降低。电解质膜为MEA的较昂贵的部件之一，并且通常期望减少用于形成卷材燃料电池子组件的电解质膜的数量，从而降低燃料电池堆的成本。用于减少在MEA中使用的电解质膜的数量的技术在本文中称为“膜节约”。本文讨论的一些实施例示出了膜节约式燃料电池子组件幅材，以及用于制造节约式燃料电池子组件幅材的工艺和系统。膜节约涉及节省膜材料以降低例如燃料电池子组件卷材广品总成本的制造工艺。一些实施例示出了子垫片式燃料电池子组件，其包括电解质膜或设置在第一半子垫片和第二半子垫片之间的催化剂涂覆的膜(CCM)。第一半子垫片具有朝向电解质膜定向的第一表面，第二半子垫片具有朝向电解质膜定向的第二表面。第一半垫片表面和第二半垫片表面中的至少一者具有粘合剂层。第一半垫片表面和第二半垫片表面中的至少一者的大部分不具有粘合剂层。子垫片表面的“大部分”不具有粘合剂层是指子垫片表面的至少25%、或子垫片表面的至少50%、或基本上整个子垫片表面都不具有粘合剂层。在具有第一半垫片(具有粘合剂层)和第二半垫片(没有粘合剂)的MEA中，第二半垫片通过第一半子垫片的粘合剂层粘附于第一半子垫片上，并且未通过粘合剂附接到膜上。在一些应用中，包括在面向电解质膜的表面上具有粘合剂的第一半子垫片和面向电解质膜的表面的大部分或全部不含粘合剂层的第二半子垫片的子垫片提高了子垫片式燃料电池子组件的稳定性。例如，在超过80°C的温度和压力下，即便粘合剂层存在于两个子垫片层的表面上，亦可以通过挤压或转移电解质膜来改变电解质膜相对于子垫片的位置。从不希望受到任何针对该现象的特定理论束缚的角度出发，一种解释为，在较高的温度下存在于子垫片层和膜的界面处的粘合剂变得稍微更加润滑，从而在施加压力时使膜移位和/或挤出。然而，当至少一个子垫片表面的大部分不存在粘合剂时，即使其他子垫片表面的大部分包含粘合剂，膜的移位和/或挤出也会降低。电解质膜的移位和/或挤压的降低可归因于电解质膜和不具有粘合剂的子垫片层之间的增大的摩擦。图2A为燃料电池子组件201的平面视图，图2B和2C分别为燃料电池子组件201通过线A— AIP B— B’截取的横截面视图。子组件201包括电解质膜210和子垫片220，所述子垫片220包括第一半子垫片230和第二半子垫片240。半子垫片230、240设置在电解质膜210的周边并且具有“框架”形式，其具有孔233、243，电解质膜210的中心区域通过所述孔暴露出来。尽管图2A中示出了矩形框架形半子垫片，但是半子垫片可呈现任何形状，如圆形、五边形、六边形等等。此外，每个半子垫片230、240可以是一个连续层，或者可以包括若干围绕电解质膜周边布置的小片。每个半子垫片230、240可以包括一个或多个层。第一半子垫片230与第二半子垫片240的尺寸可以相同也可以不同。如果第一半子垫片和第二半子垫片尺寸相同(如图2A-2C中所示)，那么第一半子垫片230的边缘230a、230b、230c、230d与第二半子垫片240的对应边缘240a、240b、240c、240d对齐。然而，如果第一半子垫片和第二半子垫片的尺寸不同，那么第一半子垫片的一个或多个边缘不与第二·半子垫片的对应边缘对齐。第一半子垫片孔233与第二半子垫片孔243的尺寸可以相同也可以不同。图2A-2C示出实施方式，其中第一半子垫片230的孔233小于第二半子垫片240的孔243。当第一半子垫片孔233小于第二半子垫片孔243时，则更多的第一半子垫片孔的边缘233a、233b、233c、233d不与对应的第二半子垫片孔的边缘243a、243b、243c、243d对齐。在一些构造中，第一半子垫片孔与第二半子垫片孔的尺寸相同，在这种情况下，第一半子垫片和第二半子垫片的孔的边缘就会对齐。第一半子垫片230具有朝向电解质膜210定向的第一表面231。包含如压敏粘合剂(PSA)或其他类型粘合剂的粘合剂层250设置在第一表面231上。第二半子垫片具有朝向电解质膜210定向的第二表面241。第二半子垫片240的第二表面241的大部分不具有粘合剂或者整个第二表面241都不具有粘合剂。粘合剂可以存在于第二垫片表面上，只要朝向膜定向的第一垫片表面和第二垫片表面中的至少一者的大部分不包含粘合剂即可。没有粘合剂的大部分会促进子垫片表面与膜之间的摩擦，从而在与燃料电池工作相关的温度和压力过程中增大膜的位置稳定性。尽管第二半子垫片的第二表面241不具有粘合剂层，但其通过设置在第一半子垫片的第一表面231上的粘合剂层250粘附到第一半子垫片上。第二半子垫片未粘附于膜上。电解质膜210在X和y方向上“节约”，意指电解质膜仅仅在半子垫片230、240下方部分地延伸。如本文所用的膜节约是指通过减小电解质膜的X和/或y维度来减少用于形成燃料电池子组件的电解质膜的量。图2D为子垫片式五层膜电极组件(MEA)202的横截面，该组件包括子垫片式电解质膜201 (如结合图2A-2C所更加详细的描述)和催化剂涂覆的GDL，所述催化剂涂覆的GDL包括设置在⑶L 262、263上的催化剂层212、213。图2E示出子垫片260和膜210的一部分。该子垫片包括第一半子垫片264和第二半子垫片265。第一半子垫片264和第二半子垫片265具有朝向膜210定向的第一子垫片表面266和第二子垫片表面267。在该实例中，第一表面266基本上被第一粘合剂层268覆盖。第二表面267具有第二粘合剂层269。然而，第二半子垫片表面267的大部分261没有粘合剂层。在一些实施例中，第一半子垫片表面在第一半子垫片表面的大部分或全部的上方具有粘合剂，并且第二半子垫片表面不具有粘合剂。图2F示出具有部署在膜210上方的第一半子垫片271和第二半子垫片272的子垫片270。第一半子垫片271和第二半子垫片272分别具有朝向膜210定向的第一子垫片表面273和第二子垫片表面274。粘合剂层275设置在第一半子垫片表面273的大部分的上方。第二子垫片表面274不具有粘合剂。在一些实施例中，两个子垫片表面的一些部分都具有粘合剂并且两个子垫片表面的大部分不具有粘合剂。图2G示出具有部署在膜210上方的第一半子垫片281和第二半子垫片282的子垫片280。第一半子垫片281和第二半子垫片282分别具有朝向膜210定向的第一子垫片表面283和第二子垫片表面284。第一子垫片表面283的一个或多个部分具有粘合剂层285。第二子垫片表面284的一个或多个部分具有粘合剂层286。第一子垫片表面283的大部分287没有粘合剂。第二子垫片表面284的大部分288没有粘合剂。对于一些子垫片式膜构造，例如图2F和2G中所示的构造，半子垫片之间的界面和/或每个子垫片层和膜之间的界面的至少一些部分的任一子垫片表面处都不存在粘合剂。 在一些实施例中，至少一个半子垫片包括用于减少第一半子垫片和第二半子垫片之间膜移动量的表面处理。例如，表面处理可以增大朝向膜的第一子垫片表面与第二子垫片表面之间的摩擦和/或可以增大子垫片表面与膜之间的摩擦。示例性的表面处理可以包括(例如)电晕处理、等离子体处理、底漆、在朝向膜的子垫片的一个或两个表面上提供微结构，和/或使朝向膜的子垫片的一个或两个表面粗糙化，和/或其他处理。还可以在子垫片的相对侧上添加表面处理以增大粘合剂与膜或塑料子垫片的粘合力。图2H示出子垫片式膜，其中朝向膜的第二半子垫片的表面的至少一部分具有增大摩擦和/或减少膜移动量的表面处理。子垫片290包括部署在膜210上方的第一半子垫片291和第二半子垫片292。第一半子垫片291和第二半子垫片292分别具有朝向膜210定向的第一子垫片表面293和第二子垫片表面294。第一子垫片表面293的一个或多个部分具有粘合剂层295。第二子垫片表面294的大部分296不具有粘合剂。子垫片表面293、294中的一者或两者包括减少膜移动的表面处理297。例如，表面处理可以增大膜与第二半子垫片的表面294之间的摩擦。表面处理297可以在基本上整个子垫片表面293、294上方或仅在子垫片表面的一部分的上方存在。图3A和3B分别为燃料电池子组件301和302的横截面。子组件301为子垫片式CCM,子组件302为子垫片式五层MEA。子组件301和302包括设置在子垫片320之间的催化剂涂覆的膜(CCM) 311。CCM311包括电解质膜310和催化剂层312、313。子垫片320包括具有粘合剂350的第一半子垫片330和不具有粘合剂的第二半子垫片340。半子垫片330、340为具有框架形式的周边子垫片，该框架具有孔333、343，CCM 311的某些部分(即中心区域)通过所述孔暴露出来。子组件302包括子组件301，子组件301添加有设置在子垫片式CCM 301任一面上的⑶L 362、363。如图3A和3B的横截面示意图所示，CCM的宽度可以小于⑶L的宽度。在其他实施方式中，CCM的宽度可以大于⑶L的宽度，或者CCM和⑶L可以具有基本上等同的宽度。GDL可以使用合适的粘合剂来粘附或者通过加热来粘合到子垫片式 CCM。在一些实施方式中，电解质膜或CCM可只使用一个半子垫片来子垫片化，如图3C中所描绘的MEA 303所示。在该示例性实施方式中，MEA 303包括具有电解质膜310和第一及第二催化剂层312、313的CCM 311。第一半子垫片330具有粘合剂层350。在这些实施方式中没有使用第二半子垫片。该MEA还包括安装在半垫片式CCM上方的⑶L362、363。如图4所示，燃料电池子组件401 (例如，图2-3中所示的子组件)可以被制造为多个级联在一起的子组件的卷材幅材400。本文所讨论并于图4中示出的“幅材”为X轴尺寸远大于其y轴尺寸、且具有足够的柔韧性以便处理并以卷的方式保存的制品。该卷材幅材400可以包括(例如)多个半子垫片式或全子垫片式燃料电池子组件401，例如半或全子垫片式膜或CCM、五层MEA和/或其他燃料电池子组件401。多个燃料电池子组件401可以沿着幅材400的X轴设置，并且多个燃料电池子组件401可以在幅材400的整个y轴上设置。卷材幅材400可缠绕在具有适当衬里材料(如有必要)的滚轴402上，并且可以以成卷 的形式销售。在形成燃料电池子组件卷材幅材400后，可将幅材400切成单个燃料电池子组件401，如MEA。然后可将单个MEA组装成燃料电池堆。卷材燃料电池子组件幅材可以包括根据本发明实施例的在X和y方向上都节约的电解质膜和/或CCM。在y方向上的膜节约涉及膜在y方向(幅材横向方向)上宽度的减小，所述膜可为膜幅材或CCM幅材。如下面的实例所示，对于卷材燃料电池子组件幅材而言，在X方向(幅材纵向方向)上的膜节约涉及使用多个单个电解质膜或CCM来形成燃料电池子组件幅材的多个燃料电池子组件。图5A-5C示出包括多个级联在一起的燃料电池子组件的燃料电池子组件幅材500，其上示出了子组件503A、503B、503C。燃料电池子组件幅材500以展开的状况示于平面视图(图5A)、沿着线G-G’的横截面视图(图5B)以及沿着线H-H’的横截面视图(图5C)中。在该实施方式中，使用多个单个电解质膜510A、510B、510C。子垫片520包括第一半子垫片幅材530和第二半子垫片幅材540。第一半子垫片幅材530和第二半子垫片幅材540具有含孔533、543的连续阶梯的形式，电解质膜510A、510B、510C的中心区域通过所述孔暴露出来。粘合剂层550设置在面向单个电解质膜510A、510B、510C的第一半子垫片幅材530的表面531上。面向单个电解质膜510A、510B、510C的第二半子垫片幅材540的表面541的大部分上未设置粘合剂。从图5B的横截面中可以看出，单个电解质膜510A、510B、510C的使用提供了在x方向上的膜节约，这是因为膜材料在相邻燃料电池子组件503A、503B、503C之间的区域504中得到了节省。单个电解质膜510A、510B、510C的使用还提供了在y方向上的膜节约，如图5C的横截面所示。每个单个电解质膜510A、510B、510C在沿着燃料电池子组件幅材500侧面的区域505处节省了膜材料，这是因为单个电解质膜51OA、51OB、51OC在y方向上只在子垫片520的下方部分地延伸。X和/或y方向上的膜节约节省燃料电池组合件幅材中相邻燃料电池组件之间的区域内的膜材料，和/或节省沿着燃料电池组合件幅材的侧面的区域内的膜材料。在这些区域中，电解质膜在子垫片下方延伸到能在制造过程中实现燃料电池子组件幅材500的良好结构稳定性以及在燃料电池堆中操作时实现燃料电池子组件503A、503B、503B的良好稳定性和密封性能所必需的程度。图5D、5E和5F分别示出五层MEA幅材502的平面视图、y方向和x方向横截面视图，该幅材通过在燃料电池子组件幅材500上安装包括⑶L 562A、563A、562B、563B、562C、563C和催化剂涂层564A、565A、564B、565B、564C、565C的催化剂涂覆的⑶L而形成。在一些实施例中，上面讨论的第一半子垫片幅材可以用多个单个的第一半子垫片593A、593B、593C替换，如图5G和5H中所示。图5G和5H示出包括多个级联在一起的燃料电池子组件的燃料电池子组件幅材590，其上示出了子组件591A、591B、591C。燃料电池子组件幅材590以展开的状况示于平面视图(图5G)和沿着线C-C’的横截面视图(图5H)中。在该实施方式中，使用了多个单个电解质膜592A、592B、592C。燃料电池子组件幅材590包括多个单个的第一半子垫片593A、593B、593C，每个半子垫片具有孔598A、598B、598C，电解质膜592A、592B、592C的中心区域通过所述孔暴露出来。每个单个的第一半子垫片593A、593B、593C包括设置在面向单个电解质膜592A、592B、592C的第一半子垫片表面594A、594B、594C上的粘合剂层595A、595B、595C。燃料电池子组件幅材包括第二半子垫片幅材596，其包括多个孔599，电解质膜592A、592B、592C的中心区域通过所述孔暴露出来。面向单个电解质膜592A、592B、592C的第二半子垫片幅材596的表面597的大部分上未设置粘合剂。图51和5J分别示出五层MEA幅材575的平面视图和y方向横截面视图，该幅材通过在燃料电池子组件幅材590上安装包括⑶L 562A、563A、562B、563B、562C、563C和催化 剂涂层564A、565A、564B、565B、564C、565C的催化剂涂覆的⑶L而形成。图6A-6C示出在X和y方向上具有CCM节约的燃料电池子组件幅材600。燃料电池子组件幅材600包括多个级联在一起的燃料电池子组件，其上示出了子组件603A、603B、603C。燃料电池子组件幅材600以展开的状况示于平面视图(图6A)、沿着线1_1’的横截面视图(图6B)以及沿着线J一J’的横截面视图(图6C)中。在该实施方式中，使用多个单个的 CCM 611A、611B、611C。单个 CCM 611A、611B、611C 包括具有催化剂层 612A、613A、612B、613B、612C、613C 的单个电解质膜 610A、610B、610C。子垫片620包括第一半子垫片幅材630和第二半子垫片幅材640。第一半子垫片幅材630和第二半子垫片幅材640具有含孔633、643的连续阶梯的形式，CCM 611A、611B、61IC的中心区域通过所述孔暴露出来。粘合剂层650设置在面向单个CCM 611A、61IB、61IC的第一半子垫片幅材630的表面631上。第二半子垫片幅材640的大部分在面向单个CCM611A、611B、611C的表面641上不具有粘合剂，如表面641没有粘合剂。图6D、6E和6F示出五层MEA幅材602，其在安装⑶L 662A、663A、662B、663B、662C、663C后使用燃料电池子组件幅材600形成。图6G和6H示出燃料电池子组件幅材690，其具有取代如图6A-6F所示的第一子垫片幅材的单个第一半子垫片693A、693B、693C。燃料电池子组件幅材690包括多个级联在一起的燃料电池子组件，其上示出了子组件691A、691B、691C。燃料电池子组件幅材690以展开的状况示于平面视图(图6G)和沿着线D— D’的横截面视图(图6H)中。在该实施方式中，使用多个单个的CCM 611A、611B、611C。单个CCM611A、611B、611C包括具有催化剂层612A、613A、612B、613B、612C、613C 的单个电解质膜 610A、610B、610C。燃料电池子组件幅材690包括多个单个的第一半子垫片693A、693B、693C，每个半子垫片具有孔698A、698B、698C，CCM 611A、611B、611C的中心区域通过所述孔暴露出来。每个单个的第一半子垫片693A、693B、693C包括设置在面向单个CCM 611A、611B、611C的第一半子垫片 693A、693B、693C 的表面 694A、694B、694C 上的粘合剂层 695A、695B、695C。燃料电池子组件幅材690包括第二半子垫片幅材696，其为具有多个孔699的幅材，单个CCM611A、611B、611C的中心区域通过所述孔暴露出来。面向单个CCM 611A、611B、611C的第二半子垫片幅材696的表面697的大部分没有粘合剂。图61和6J分别不出五层MEA幅材675的平面视图和y方向横截面视图，该幅材通过在燃料电池子组件幅材690上安装⑶L 662A、663A、662B、663B、662C、663C而形成。在如前所讨论的一些应用中使用具有单面粘合剂的子垫片可能是期望的。在其他应用中，可能有用的是包括在两个子垫片层上具有粘合剂的子垫片，该子垫片与在X和y方向上都节约的膜一起使用。图7A-7J和8A-8J示出燃料电池子组件幅材，其包括X和y方向的膜节约和在第一和第二半子垫片层上具有粘合剂的子垫片。如图7A-7F所示的燃料电池子组件幅材700和五层MEA幅材702包括多个级联在一起的燃料电池子组件，其上示出了子组件703A、703B、703C。燃料电池子组件幅材700和MEA幅材702以展开的状况示于平面视图(分别为图7A和7D)、沿线K一K’的横截面视图(分别为图7B和7E)，以及沿线L一L’的横截面视图(分别为图7C和7F)中。燃料电池子组件幅材700使用多个单个电解质膜710A、710B、710C。子垫片720包括第一半子垫片幅材730和第二半子垫片幅材740。第一半子垫片幅材730和第二半子垫片幅材740中的每一个具有含孔733、743的连续阶梯的形式，单个电解质膜710A、710B、710C的中心区域通过所述孔暴露出来。粘合剂层753设置在朝向电解质膜710A、710B、7IOC定向的第一半子垫片幅材730的表面731上。粘合剂层754设置在朝向电解质膜710A、710B、710C定向的第二半子垫片幅材740的表面741上。图7D、7E和7F分别示出五层MEA幅材702的平面视图、y方向横截面视图和X方向横截面视图，该幅材在安装催化剂涂覆的GDL之后使用燃料电池子组件幅材700形成。催化剂涂覆的⑶L包括具有催化剂涂层764A、765A、764B、765B、764C、765C的 GDL 762A、763A、762B、763B、762C、763C。在一些实施例中，结合图7A-7F讨论的第一半子垫片幅材可以用多个单个的第一半子垫片793A、793B、793C替换，如图7G和7H中所示。图7G和7H示出包括多个级联在一起的燃料电池子组件的燃料电池子组件幅材790，其上示出了子组件791A、791B、791C。燃料电池子组件幅材790以展开的状况示于平面视图(图7G)和沿着线D-D’的横截面视图(图7H)中。在该实施方式中，使用多个单个电解质膜792A、792B、792C。燃料电池子组件幅材790包括多个单个的第一半子垫片793A、793B、793C，每个半子垫片具有孔798A、798B、798C，电解质膜792A、792B、792C的中心区域通过所述孔暴露出来。每个单个的第一半子垫片793A、793B、793C包括设置在面向单个电解质膜792A、792B、792C的第一半子垫片的表面794A、794B、794C上的粘合剂层795A、795B、795C。燃料电池子组件幅材包括第二半子垫片幅材796，其包括多个孔799，电解质膜792A、792B、792C的中心区域通过所述孔暴露出来。面向单个电解质膜792A、792B、792C的第二半子垫片幅材796的表面797上设置了粘合剂层 785。图71和7J分别示出五层MEA幅材的平面视图和y方向横截面视图，该幅材通过在燃料电池子组件幅材790上安装包括⑶L 762A、763A、762B、763B、762C、763C和催化剂涂层764A、765A、764B、765B、764C、765C的催化剂涂覆的⑶L而形成。图8A-8F中所示的燃料电池子组件幅材800类似于燃料电池子组件幅材700，不同的是，子组件幅材800包括单个CCM，而不是如图7A-7F中所示的不具有催化剂涂层的单、个电解质膜。图8A-8C示出连在一起的燃料电池子组件803A、803B、803C。燃料电池子组件幅材800、802以展开的状况示于平面视图(分别为图8A和8D)、沿线M-M’的横截面视图(分别为图8B和8E)，以及沿线N— N’的横截面视图(分别为图8C和8F)中。在该实施方式中，使用多个单个的CCM 811A、811B、811C。单个CCM 811A、811B、811C包括具有催化剂层812A、813A、812B、813B、812C、813C 的单个电解质膜 810A、810B、810C。子垫片 820 包括第一半子垫片幅材830和第二半子垫片幅材840。第一半子垫片幅材830和第二半子垫片幅材840中的每一个具有含孔833、843的连续阶梯的形式，单个电解质膜811A、811B、811C的中心区域通过所述孔暴露出来。粘合剂层853设置在朝向CCM 811A、811B、811C定向的第一子垫片幅材830的表面831上。粘合剂层854设置在朝向CCM 811A、811B、811C定向的第二半子垫片幅材840的表面841上。图8D、8E和8F示出五层MEA幅材802，其包括燃料 电池子组件幅材800和⑶L862A、863A、862B、863B、862C、863C。图8G和8H示出燃料电池子组件幅材890，其具有取代如图8A-8F所示的第一半子垫片幅材的单个第一半子垫片893A、893B、893C。燃料电池子组件幅材890包括多个级联在一起的燃料电池子组件，图中示出了其中的子组件891A、891B、891C。燃料电池子组件幅材890以展开的状况示于平面视图(图SG)和沿着线E— E’的横截面视图(图8H)中。在该实施方式中，使用多个单个的CCM 811A、811B、811C。单个CCM 811A、811B、811C包括具有催化剂层 812A、813A、812B、813B、812C、813C 的单个电解质膜 810A、810B、810C。燃料电池子组件幅材890包括多个单个的第一半子垫片893A、893B、893C，每个半子垫片具有孔898A、898B、898C，单个CCM 811A、811B、811C的中心区域通过所述孔暴露出来。每个单个的第一半子垫片893A、893B、893C包括设置在面向单个电解质膜811A、811B、811C的第一半子垫片893A、893B、893C的表面894A、894B、894C上的粘合剂层895A、895B、895C。燃料电池子组件幅材890包括第二半子垫片幅材896，其具有多个孔899，单个CCM811A、811B、811C的中心区域通过所述孔暴露出来。面向单个CCM 811A、811B、811C的第二半子垫片幅材896的表面897包括粘合剂层885。图81和8J分别示出五层MEA幅材875的平面视图和y方向横截面视图，该幅材通过在燃料电池子组件幅材890上安装⑶L 862A、863A、862B、863B、862C、863C而形成。本文所述的子垫片可以包含各种类型的聚合物材料，例如聚酯(例如聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))、聚酰亚胺和/或其他类似材料，包括足够薄、足够强效以及与燃料电池环境(即，60-120°C，存在水、氢气和/或氧气)足够相容的刚性聚合物材料。在一个实例中，子垫片材料具有大于约0.0125mm的厚度。在一个实施例中，子垫片材料为具有约0. Imm厚度的PEN。子垫片可任选地具有粘附到一个或两个外表面的垫片或密封件。垫片材料可包括微结构化的弹性体肋，例如通过加热来固化的乙烯丙烯二烯单体(EPDM)弹性体肋。第一半子垫片和第二半子垫片不必具有相同特性。可以选择半子垫片的特性以便于部件处理或燃料电池操作。例如，在某些实施例中，第一半子垫片的厚度可以不同于第二半子垫片的厚度，和/或第一半子垫片可以包含不同于第二半子垫片材料的一种或多种材料。选择子垫片和粘合剂层的材料以使得粘合剂层良好地粘附到子垫片表面。粘合剂层(如果使用)的厚度可以为约0. 005至约0. 05_。粘合剂层可以包含压敏粘合剂(PSA)、热活化粘合剂、紫外线活化粘合剂或其他类型的粘合剂。例如，粘合剂层可以包含下列材料中的任何一种丙烯酸PSA、橡胶基粘合剂、乙烯马来酸酐共聚物、烯烃粘合剂(例如I-辛烯与乙稀或丙稀的共聚物)、臆基粘合剂、环氧基粘合剂和氣基甲酸酷基粘合剂。在其他实施例中，粘合剂层可以包含热活化粘合剂，例如Thermobond 845(聚乙烯马来酸酯基热活化粘合剂)和Thermobond 583 (丁腈橡胶基热活化粘合剂)。粘合剂可以包括具有高粘度的交联粘合剂。例如，粘合剂可以为丙烯酸酯压敏粘合剂，该粘合剂被配制为具有水解稳定性，并且当在燃料电池堆中受压时能够抗蠕变。粘合剂和子垫片层(例如PEN层)可以使用隔离衬片卷起，随后用于形成本文所述的子垫片式燃料电池子组件。任何合适的电解质膜都可应用在本发明中。可用的PEM厚度范围在约 200 iim至约 Iym 之间。四氟乙烯(TFE)和根据式 FS02-CF2-CF2-0-CF(CF3)-CF2-0-CF=CF2 的共聚单体的共聚物是已知的，并由DuPont Chemical Company (Wilmington, Delaware)以商品名NAFION R以磺酸形式(即，具有水解成HS03-的FS02-端基)出售。NAFION #常用于制造燃料电池中使用的聚合物电解质膜。四氟乙烯(TFE)和根据式FS02-CF2-CF2-0-CF=CF2的共聚单体的共聚物也是已知的，并以磺酸形式(即，具有水解成HS03-的FS02-端基)用于制造燃料电池中使用的聚合物电解质膜。最优选的是四氟乙烯(TFE)和FS02-CF2CF2CF2CF2-0-CF=CF2的共聚物，其具有水解成HS03-的FS02-端基。在一些实施例中，催化剂层可以包含通过湿化学方法(例如氯钼酸的还原)涂覆到较大碳粒上的Pt或Pt合金。这种形式的催化剂使用离子键粘结剂和/或溶剂分散以形成施用到膜、隔离衬片或GDL上的油墨、糊剂或分散体。在一些实施例中，催化剂层可包括催化剂材料的含纳米结构化支撑元件的颗粒或纳米结构化薄膜(NSTF)。纳米结构化催化剂层不包含作为载体的碳粒，因此可以被掺入到电解质膜的非常薄的表面层中从而形成催化剂颗粒的致密分布。使用纳米结构化薄膜(NSTF)催化剂层使得催化剂利用率远高于由分散方法所形成的催化剂层，并且由于不存在碳载体而提供了在高电势和高温下的更高的抗腐蚀性。在一些实施方式中，CCM的催化剂表面积可以通过使用具有微结构化特征的电解质膜而进一步增大。NSTF催化剂层包括细长的纳米级颗粒，该颗粒可通过将催化剂材料真空沉积到针状纳米结构化载体上而形成。适用于本发明的纳米结构化载体可以包括有机颜料晶须，例如C. I.颜料红149 (茈红)。晶体晶须具有基本上均匀但是不相同的横截面以及较高的长宽比。用适用于催化的涂层材料涂布纳米结构化载体晶须，这会赋予晶须能够充当多个催化部位的细小纳米级表面结构。在某些具体实施中，纳米结构化载体晶须可以通过连续的螺型位错生长来伸展。延长纳米结构化载体元件使得催化的表面积增大。用催化剂材料涂布纳米结构化载体晶须以形成纳米结构薄膜催化剂层。根据一个具体实施，催化剂材料包含金属，诸如钼族金属。在一个实施例中，催化剂涂覆的纳米结构化支撑元件可以转移到电解质膜的表面以形成催化剂涂覆的膜。在另一个实施例中，催化剂涂覆的纳米结构化支撑元件可以在GDL表面上形成。GDL可以为能够收集来自电极的电流、同时允许反应气体通过的任何材料，通常为织造或非织造碳纤维纸或布。⑶L向催化剂和膜提供气体反应物和水汽的多孔通路，并且还收集催化剂层中产生的电流来为外部负载供电。
⑶L可以包括微孔层(MPL)和电极背衬层(EBL)，其中MPL设置在催化剂层与EBL之间。EBL可以是任何合适的导电多孔基底，诸如碳纤维构造(例如，织造和非织造碳纤维构造)。市售的碳纤维构造的例子包括以商品名“AvCarb P50”购自Ballard MaterialProducts (Lowell, MA)的碳纤维纸；以及可购自 ElectroChem, Inc. (Woburn, MA)的“Toray”碳纸。也可以处理EBL来提高或赋予疏水特性。例如，可以使用高氟化聚合物来处理EBL，所述高氟化聚合物诸如为聚四氟乙烯(PTFE)和氟化乙丙烯(FEP)。所述EBL的碳纤维构造通常具有粗糙多孔的表面，其显示与催化剂层之间具有较低的粘合附着性。为了增强粘合附着性，可将微孔层涂布到EBL的表面。这使EBL的粗糙多孔表面变得平滑，从而增强与某些类型的催化剂层的粘合附着性。燃料电池子组件幅材(如，示于图5A-5C、5G、5H、6A-6C、6G、6H、7A-7C、7G、7H、8A-8C、8G、8H中的燃料电池子组件幅材500、590、600、690、700、790、800、890)可以使用卷对卷制备工艺来制造。安装⑶L以形成如图ro-5F、5I、5J、6D-6F、6、6J、7D-7F、7I、7J、8D-8F、8I、8J中所示的五层MEA子组件幅材502、575、602、675、702、775、802、875也可以用 卷对卷工艺来完成。用于制造子垫片式燃料电池子组件幅材(如，子垫片式电解质膜幅材、子垫片式CCM幅材和/或子垫片式五层MEA幅材)的卷对卷工艺的流程图示于图9中。图9示出采用CCM的五层MEA幅材的制造过程。应当理解，可使用类似的工艺来形成使用催化剂涂覆的⑶L而非CCM的五层MEA子组件幅材。任选地，在步骤910中通过将阳极和阴极催化剂层合到电解质膜来形成连续的CCM幅材。如果使用不具有催化剂涂层的电解质膜幅材与催化剂涂覆的GDL来形成MEA，则此部分工艺可以省略。将膜幅材切割成多个单个膜，将这些单个膜在步骤920中粘附到设置在第一半子垫片阶梯幅材上的第一粘合剂层。将单个膜层合到第一半子垫片阶梯幅材形成具有单个电解质膜的半垫片幅材。在步骤930中，将在朝向电解质膜定向的表面上几乎不含或完全不含粘合剂的第二半子垫片阶梯幅材附接到半子垫片式单个膜幅材。第二半子垫片阶梯幅材为通过设置在第一半子垫片幅材上的粘合剂层粘附的半子垫片式幅材。任选地，在步骤940中将⑶L附接到子垫片式膜幅材以形成五层MEA幅材。如果子垫片式膜幅材不是CCM幅材，则GDL包括催化剂层。可将五层MEA幅材切削形成各个单个五层MEA。 图10A-10D示出被构造为生产X和y节约的燃料电池子组件的卷对卷系统的各种子系统，所述子组件包括半子垫片式单个膜幅材、全子垫片式单个膜幅材、单个子垫片式膜、五层MEA幅材、单个五层MEA和各种中间燃料电池子组件。燃料电池子组件(如，具有多个单个电解质膜或CCM的全子垫片式幅材或半子垫片式幅材和/或五层MEA幅材)可以如图4所示被制备为卷材。卷对卷系统被构造为使用基于卷的方法执行至少一些工艺，但不是每个子系统都需要基于卷和/或不是所有输入部件、输出部件和/或中间部件都需要缠绕到卷上和/或从卷上退绕。结合图10A-10D所示的制造工艺，输入、中间和/或输出子组件幅材或子组件的一些X方向(幅材纵向)横截面示于图11A-11N中，以帮助理解中间子组件幅材或子组件的结构。图10A示出被构造为生产CCM幅材1005的子系统1000。通过层合辊1008和1009将沉积在或涂覆在临时载体幅材上的阴极和阳极催化剂层1002、1003层合到电解质膜幅材1001上。如，通过鸭嘴形剥离器1007剥掉载体幅材1095、1096以形成CCM幅材1005。CCM幅材1005的横截面示意图示于图IlA中。CCM幅材1005包括电解质膜1102、设置在电解质膜1102的一个表面上的阳极催化剂1101和设置在电解质膜1102的相对表面上的阴极催化剂1103。将通过子系统1000制造的CCM幅材1005输入至图IOB所示的子系统1010，用于附着第一半子垫片。或者，将不具有催化剂层的电解质幅材输入至子系统1010。子系统1010使用砧辊1011和发泡真空压模1012将膜幅材1005 (或不具有催化剂的电极膜)切割成单个膜1021a、1021b。膜幅材1005在通过砧辊1011和发泡真空压模1012之间时被切割成单个膜1021a、1021b。发泡真空压模1012的更详细的视图示于图13A和13B中。在切削之前，可任选地对膜幅材进行预处理，以便使膜幅材1005在实现更为均匀切削的状况下被提供到压模1012。膜预处理选项示于图12A和12B中。例如，一种预处理操作(图12A)涉及使用具有缓冲器1203的预处理辊1201，该缓冲器可以通过带材卷绕或类似方法而在预处理辊1201的任一侧上形成。具有缓冲器1203的预处理辊1201的操作为 在切削操作前略微展开膜幅材1005以实现重复性更高的切削。作为另外一种选择或除此之外，如图12B中所示，在切削操作前，膜幅材1005可以(如通过强制通风加热器或其他类型的加热器1202)被略微加热以降低水分和/或轻微收缩膜幅材1005。丢弃来自膜切削工艺的残余膜阶梯1004。残余膜阶梯1004的平面视图示于图IlB中。为了通过减少使用膜材料来实现成本降低，可以配置真空压模1012并且控制切削工艺以使得残余膜阶梯1004的梯级厚度dl和/或侧面厚度d2可以小于1/8英寸或者在一些具体实施中通过小心控制切削工艺甚至可以减小到0英寸。单个膜1021a、1021b在压模1012朝层合辊1013旋转时通过真空保持在压模1012上。如图IlC的横截面示意图所示，第一半子垫片幅材1016包括第一子垫片层1106和具有隔离衬片1108的粘合剂层1107。第一半子垫片幅材1016在载体幅材1105 (如，具有可再贴粘合剂的载体幅材)上被输入至子系统1010。在一些具体实施中，可使用真空带将第一半子垫片幅材(包括载体幅材)传送到子系统1010。具有可再贴粘合剂的载体幅材起到支撑和稳定第一半子垫片幅材1016的作用。可再贴载体幅材为包括粘合剂的幅材，该粘合剂具有足够低的粘合剂粘性以使得载体幅材可以轻易地从第一半子垫片幅材(或其他工作产品)上移除并且粘合剂保留在载体幅材上。在一些具体实施中，载体幅材为I密耳的塑料膜或纸膜，在该膜的表面上具有0. 5密耳的低粘性粘合剂。回到图10B，当第一半子垫片幅材1016在砧辊1015和子垫片压模滚筒1014之间移动时，压模滚筒1014在第一子垫片幅材1016中进行孔切割，该切割在保持载体幅材完整的同时限定第一子垫片幅材孔。第一半子垫片材料、粘合剂和粘合剂隔离衬片初始时被保留在孔中作为孔塞。在产生保留下来的孔塞1109的切割操作后，第一半子垫片幅材1017的横截面示于图IlD中。孔塞1109 (保留在子垫片孔内的切口子垫片材料、粘合剂和粘合剂衬片)初始时保留在合适位置，但最后被移除以显现出第一半子垫片幅材的孔。在辊1019处移除粘合剂隔离衬片阶梯1018，使第一半子垫片幅材(具有除去粘合剂隔离衬片阶梯的完整孔塞)1020留在载体幅材上。粘合剂隔离衬片阶梯1018示于图IlE的平面视图中。第一半子垫片幅材1020 (具有除去粘合剂隔离衬片阶梯1018的完整孔塞1109)的横截面示于图IlF中。第一半子垫片幅材1020位于载体幅材1105上并包括第一半子垫片层1106和粘合剂层1107。粘合剂衬片1108的一部分留在粘合剂层1107上。粘合剂层1107的表面部分1107a、1107b暴露出来。如图IlF中所示，粘合剂隔离衬片1108的一部分保留在粘合剂层1107上孔塞1109的区域内。在层合辊1013处单个膜1021a、1021b和第一半子垫片幅材(具有除去粘合剂隔离衬片阶梯的完整孔塞)1020汇集在一起。发泡真空压模1012 (如图13A和13B中详细示出)在压模1012的压模腔中包括多孔的顺应性材料(如泡沫)以保持并保护膜以免在制造过程中受到损坏。在单个膜1021a、1021b附连到子垫片幅材1021的过程中，期望的是在发泡真空压模1012上的压模腔之间的间隙(参见图13的1315)内不存在泡沫。在压模上的间隙1315内不存在材料使得第一半子垫片幅材1020能够向前通过1013、1012的辊隙，同时当子垫片幅材1020内的孔之间的间隙与层合辊1013对齐时发泡真空压模1012和砧辊1011停下来。在单个膜对准子垫片幅材1020中的孔时，发泡真空压模1012恢复线速度。工艺控制模块1099包括一个或多个传感器以及被构造为控制如图10A-10E中所示子系统操作的电路。例如，该工艺控制模块1099可以包括传感器以及被构造为调节一个过程相对于另一个过程的速度和/或控制制造燃料电池子组件所用的一个或多个幅材的幅材纵向位置的电路。工艺控制模块1099还可以包括传感器和控制一个或多个幅材的幅材横向位置的电路。对幅材纵向和/或幅材横向位置的控制有利于正确对齐燃料电池子组件幅材和/或组件。子垫片压模1014上的传感器用于开启或停止切削单个膜1021a、1021b的发泡真·空压模1012，以便控制与在层合辊1013处第一子垫片幅材1020中孔切削有关的单个膜1021a、1021b的对齐。位于第一子垫片幅材1020上的压敏粘合剂通过移除隔离衬片阶梯1018暴露出来，其将第一子垫片幅材粘附到单个膜1021a、1021b以形成半子垫片式膜幅材1025。在该阶段，半子垫片膜幅材1025保留孔塞。单个膜1021a、1021b在单个膜1021a、1021b的周边表面区域处粘附到第一子垫片幅材1020，同时单个膜1021a、1021b的中心表面区域被粘合剂隔离衬片孔塞保护起来不接触粘合剂。位于载体幅材1105上的半子垫片式膜幅材(具有保留下来的孔塞)1025的横截面示于图IlG中。半子垫片式膜幅材1025包括第一子垫片层1106和粘合剂层1107。粘合剂衬片1108的一部分留在粘合剂1107上。此时粘合剂层1107的表面部分1117附接到膜1021a。在该工艺阶段，保留有孔塞1109。图IOC示出子系统1030，该子系统被构造为将半子垫片式膜幅材1025切削为单个半子垫片式膜并将第二子垫片幅材附接到单个半子垫片式膜。子系统1030的工艺可以用于在将子垫片式膜幅材切削为单个子垫片式膜后生产具有第二子垫片框架的子垫片式膜，其中所述第二子垫片框架的尺寸大于第一子垫片框架。将半子垫片式膜幅材(具有保留下来的孔塞)1025输入至子系统1030。在辊1026处移除孔塞1109和可再贴载体幅材1105，留下半子垫片式膜幅材1028。孔塞1109和可再贴载体幅材1105(—起称为1027)和半子垫片式膜幅材1028的横截面视图分别示于图IlH和IlI中。移除图IlH中所示的孔塞1109和载体幅材1105 (—起称为1027)后留下了半子垫片式膜幅材1028。半子垫片式膜幅材1028通过图IlI的横截面视图和图IlJ的平面视图示出。半子垫片式膜幅材1028包括多个通过第一子垫片阶梯幅材1106的阶梯结构保持在一起的单个膜(图IlI中所示的1021a和图IlJ中所示的1021a_1021d)，所述第一子垫片阶梯幅材1106通过粘合剂1107粘附到单个膜1021a-1021d的周边表面区域。在半子垫片式膜幅材1028从图案化的砧辊1031和真空压模1032之间通过时，单个半子垫片式膜1035从半子垫片式膜幅材1028切除。丢弃因切削遗留的残余物子垫片阶梯1036。通过真空压模1032将单个半子垫片式膜1035a、1035b运送到泡沫层合辊1033。第二半子垫片幅材1041 (不具有粘合剂层)在第二载体幅材(如，具有可再贴粘合剂的载体幅材)上被输入至子系统1030。第二半子垫片幅材1041和载体幅材1110的横截面示于图IlK的横截面示意图中。当第二垫片幅材1041在压模1043和砧辊1044之间通过时在该幅材中进行孔切削从而形成孔塞。形成孔塞的第二半垫片材料的切削部分保留在第二载体幅材1110上的适当位置。位于载体幅材1110上的第二子垫片幅材1042(具有在恰当位置的孔塞1111)的横截面示于图IlL的横截面示意图中。第二半子垫片幅材1042在层合辊1033处层合到单个半子垫片式膜1035，以形成设置在第二载体幅材上的全子垫片式膜幅材1045。载体幅材1110上的全子垫片式膜幅材1045的横截面示于图IIM中。全子垫片式膜幅材1045包括具有完整孔塞1111的第二半子垫片幅材1041。包括单个膜1021a的单个半子垫片式膜幅材1035通过设置在单个第一半子垫片1106a上的粘合剂层1107a粘附到第二半子垫片幅材1041。移除第二载体幅材1110 和孔塞1111以显现出子垫片式单个膜幅材。子垫片式单个膜幅材包括使用单个第一半子垫片来子垫片化的节约式单个电解质膜和第二半子垫片幅材。单个第一半子垫片通过设置在单个第一半子垫片上的粘合剂层粘附到第二半子垫片幅材及单个膜。第二半子垫片幅材在面向电解质膜的表面上可以几乎不含或完全不含粘合剂。子系统1030的工艺可以用于在将子垫片式膜幅材切削为单个子垫片式膜后生产具有第二子垫片框架的子垫片式膜，其中所述第二子垫片框架大于第一子垫片框架。一个单个子垫片式膜1049a通过图IlN的横截面示意图示出。单个子垫片式膜1049a包括膜1021a、具有粘合剂层1107a的第一半子垫片1106a以及不具有粘合剂层的第二半子垫片1041a。注意，第一半子垫片1106a和第二半子垫片1041a的尺寸不必相同，如,第一半子垫片1106a可以小于第二半子垫片1041a,如图IlN中所示。图IOD示出可替代子系统1050，其被构造为将图IlG示出的子垫片式膜幅材1025对齐并附接到图IlK中示出的半子垫片式幅材1042。图IOD的子系统1050可用于取代(例如)图IOC的子系统1030。子系统1050的工艺可以用于在将子垫片式膜幅材切削为单个子垫片式膜后生产具有第二子垫片的子垫片式膜，其中所述第二子垫片的外周边尺寸与第一子垫片的外周边尺寸相同。将半子垫片式膜幅材(具有完整的孔塞)1025 (以图IlG的横截面示出)输入至子系统1050。在棍1051处移除孔塞和可再贴的载体幅材1027。孔塞和可再贴的载体幅材1027的横截面视图示于图IlH中。第二子垫片幅材1041 (具有或不具有粘合剂层)在载体幅材(例如，具有可再贴粘合剂的载体幅材)上被输入至子系统1050。第二子垫片幅材1041和载体幅材1110的横截面示于图IlK中。当第二子垫片幅材1041通过压模1053和砧辊1054之间时，在第二子垫片幅材1041中进行孔切削。如果使用粘合剂层，则粘合剂层的隔离衬片阶梯在辊1057处被剥去。形成孔塞的第二垫片幅材材料留在载体幅材上的适当位置。载体幅材上的第二子垫片幅材1041的横截面示于图IlL中，其中孔塞1042处于适当位置。当半子垫片式膜幅材1025和第二子垫片幅材1042通过辊1051和泡沫或橡胶层合辊1058之间时，半子垫片式膜幅材1025层合到第二子垫片幅材1042，所述第二子垫片幅材1042位于具有仍在原处的孔塞1111的载体幅材1110上。通过子系统1050制造的子垫片式膜幅材1045的横截面不于图IlM中。可使用如图IOE所示的子系统1060将⑶L附连到子垫片式膜幅材上。如果使用不具有催化剂的电解质膜，那么用于该步骤的GDL可以为催化剂涂覆的GDL。如果使用CCM膜，那么在该步骤中所附接的GDL可不需要催化剂层。将第一 GDL幅材1061输入至子系统1060，并且粘合剂1062可任选地在辊1063处粘附到⑶L幅材1061上。粘合剂可以为(例如)双面转移粘合剂、分配的液体或热活化粘合剂。例如，如果粘合剂施用到GDL的整个宽度上，则粘合剂层可以在⑶L幅材1061上形成多孔的导电层。当第一粘合剂⑶L幅材1067在压模1064和砧辊1065之间通过时，第一粘合剂⑶L幅材1067(第一⑶L幅材1061加上粘合剂1062)被切削为单个粘合剂⑶L 1066a、1066b。单个粘合剂⑶L 1066a、1066b例如在真空带或载体幅材上被运送到层合棍1081、1082。将第二⑶L幅材1071输入至子系统1060，并且粘合剂1072层在辊1073处粘附到GDL幅材1071上。粘合剂可以为(例如)双面胶带、分配的液体或热活化粘合剂。粘合剂层在⑶L幅材1071上形成多孔导电层。当第二粘合剂⑶L幅材1068在压模1074和砧辊1075之间通过时，第二粘合剂⑶L幅材1068 (⑶L幅材1071加上粘合剂1072)被切削为单个粘合剂⑶L 1076a、1076b。单个粘合剂⑶L 1076a、1076b在真空带或载体幅材上被运送到层合辊1081、1082。将子垫片式CCM或电解质膜幅材1085(如，结合图10所述的子垫片式CCM或电解质膜幅材)输入至子系统1060。具有孔塞的第二载体幅材在辊1088处剥离。在一些具体实施中，辊1088可以被成角度的剥离棒取代。当单个⑶L 1066a、1066b、1076a、1076b和电解质膜1085在层合辊1081、1082之间通过时，单个粘合剂⑶L 1066a、1066b、1076a、1076b层合到子垫片式CCM或电解质膜1085而形成子垫片式五层MEA幅材1086。子垫片式五层MEA幅材1086可以缠绕在辊上或如通过切片机刀1087切削为单个五层MEA 1089。 如图10A-10E中所示的工艺控制模块1099包括用于控制燃料电池子组件部件的相对速度和位置的传感器和控制电子器件，以确保各种燃料电池子组件层之间的正确对齐。例如，工艺控制模块1099可以包括一个或多个传感器，用于感测膜幅材1085的边缘以控制膜幅材1085的幅材横向位置。在一些具体实施中，设置在膜幅材1085上和/或通过在膜幅材的一个或多个层中的切口而对齐的基准点可以被工艺控制模块的传感器所感测，从而控制膜幅材相对于其他燃料电池子组件部件的幅材纵向位置。例如，感测的基准点可以用于控制膜幅材1085上的第一单个粘合剂⑶L 1066和第二单个粘合剂⑶L 1076的定位。发泡真空压模1012 (参见图10B)用于将CCM或电解质膜幅材切割成单个CCM或单个电解质膜，其比较详细地示于图13A的横截面视图和图13B的分解图中。发泡真空压模1012包括圆筒形芯，圆筒形芯具有多个压模腔1316和位于压模腔1316之间的间隙1315。通过芯1310中的孔1311在压模腔1316中施加真空。将插件1320设置在压模腔内。插件1320可由泡沫材料制成，该泡沫材料不仅有利于通过材料的厚度施加真空、还有利于在材料内部横向地施加真空。经由芯1310中的孔1311并通过压模腔插件1320施加的真空将单个电解质膜1313a、1313b、1313c保持在发泡真空压模的表面上。泡沫插件1320可以包括一个或多个多孔层。泡沫插件1320的材料为充分适形的，以保护单个电解质膜1313a、1313b、1313c在制造过程中免遭损坏。发泡真空压模1012包括一个或多个刀片1312，所述刀片从芯1310的表面向外延伸并且刚好低于泡沫插件1320的表面1321。刀片1312被构造为在发泡真空压模1012围绕其轴线旋转时将膜幅材1323 (或其他类型的幅材)切割成单个膜1313a、1313b、1313c。泡沫插件1320将足够的压力施加到单个膜1313a、1313b、1313c以使膜1313a、1313b、1313c能够粘附到子垫片幅材，同时提供足够的压缩度以避免在附接到膜1313a、1313b、1313c时压模刀片1312刻划子垫片幅材1020。图13B示出发泡真空压模1012和用于制备发泡真空压模的方法。真空压模1012包括具有一个或多个压模刀片1312的可旋转的芯1310，所述刀片的高度为约0. 057英寸， 且从可旋转的芯1310的表面向外延伸。压模刀片1312的布置方式限定了压模腔1316以及压模腔1316之间的间隙1315。至少在压模腔1316内，可旋转的芯1310穿有孔1311，所述孔延伸穿过可旋转的芯1310的外表面1319以便有利于将真空施加到芯1310的外表面1319。多层插件1320设置在压模腔1316内。压模腔1316之间的间隙1315不具有插件。为形成插件1320，首先将3. 5密耳的PET胶带层1351施加到压模腔1316内的芯1310的外表面1319，随后施加具有粘合剂层1352和6密耳粘合剂层1353的0. 050英寸泡沫。6密耳的双面粘合剂层1353最初包括隔离衬片(未示出)。在安装了包括PET胶带1351、泡沫1352和粘合剂层1353的插件内层之后，将孔1361、1362、1363融合在每个插件内层1351、1352、1353中以有利于将真空转移到插件1320的外表面。在移除隔离衬片后，多孔可透气的厚度方向材料或面内材料1354的外层通过粘合剂1353粘附到泡沫1352。制造包括电解质膜的MEA并对其进行温度测试，所述电解质膜具有单面的粘合剂子垫片和双面的粘合剂子垫片。图14示出测试前具有双面粘合剂子垫片的样品MEA构造。子垫片边缘与膜边缘重叠大约1/8英寸。图15示出在90°C下保持20小时的温度测试后图15的MEA构造。在加热测试期间，膜发生位移并且可以被看到突出穿过两个子垫片之间的粘合剂-粘合剂界面。MEA的垫片区域被压缩到用于密封目的的硬停点。垫片区域中的压力与电解质膜的温度以及电解质膜吸水的能力相结合似乎引起膜足够润滑从而滑离并挤压超出其预期的边界。这种膜挤压超出边界可以发生或可以不发生，这取决于垫片构造、压缩系统以及施加到垫片区域的压力。图16示出在膜上采用单面粘合剂子垫片的MEA构造。子垫片与膜边缘重叠约1/8英寸。在该构造中，第一子垫片层包括将第一子垫片层粘合到不包括粘合剂的第二子垫片层的粘合剂。图17示出在90°C下保持20小时的温度测试后图16的MEA构造测试后，使用单面粘合剂子垫片的MEA几乎没有或完全没有显示膜的挤出，从而为图15中所见证的问题提供了解决方案。上文对于本发明的各种实施例的描述，其目的在于进行举例说明和描述。并非意图穷举本发明或将本发明局限于所公开的精确形式。可以按照上述教导进行多种修改和变化。例如，各种参照附图所述的旋转粘结工艺可以使用非旋转方法和设备来替代完成，例如，通过使用本领域中已知的分步重复压缩工艺和设备。本发明的范围不受所述具体实施方式
的限定，而仅受所附权利要求书的 限定。
权利要求
1.ー种燃料电池卷材子组件，包括 多个单个电解质膜，每个电解质膜包括中心区域； 附接到所述单个电解质膜的ー个或多个第一子垫片，每个所述子垫片具有至少ー个孔，所述第一子垫片被布置为使得所述单个电解质膜的所述中心区域通过所述第一子垫片的所述孔暴露出来；以及 包括具有多个孔的幅材的第二子垫片，所述第二子垫片的幅材被布置为使得所述单个电解质膜的所述中心区域通过所述第二子垫片的幅材的所述孔暴露出来。
2.根据权利要求I所述的卷材子组件,其中 所述ー个或多个第一子垫片中的每ー者包括具有朝向所述电解质膜定向的第一子垫片表面的第一子垫片层，所述第一子垫片具有设置在所述第一子垫片表面上的第一粘合剂层；并且 所述第二子垫片包括具有朝向所述电解质膜定向的第二子垫片表面的第二子垫片层，其中所述第二子垫片表面的大部分上未设置有第二粘合剂层。
3.根据权利要求2所述的卷材子组件，其中每个所述第一子垫片的所述第一粘合剂层附接到所述第二子垫片表面。
4.根据权利要求I所述的卷材子组件,其中 每个所述第一子垫片包括具有朝向所述电解质膜定向的第一子垫片表面的第一子垫片层，每个所述第一子垫片具有设置在所述第一子垫片表面上的第一粘合剂层；并且 所述第二子垫片包括具有朝向所述电解质膜定向的第二子垫片表面的第二子垫片层，所述第二子垫片具有设置在所述第ニ子垫片表面上的第二粘合剂层。
5.根据权利要求I所述的卷材子组件，其中所述ー个或多个第一子垫片为包括具有多个孔的幅材的第一子垫片。
6.根据权利要求I所述的卷材组件，其中所述单个电解质膜的至少ー些为催化剂涂覆的膜。
7.根据权利要求I所述的卷材组件，还包括设置在所述单个电解质膜的所述中心区域上的气体扩散层或催化剂涂覆的气体扩散层。
8.根据权利要求I所述的卷材子组件,其中 所述ー个或多个第一子垫片中的每ー者包括具有朝向单个电解质膜定向的第一子垫片表面的第一子垫片层，所述ー个或多个第一子垫片中的每ー者具有设置在所述第一子垫片表面上的第一粘合剂层；并且 所述第二子垫片包括具有朝向所述单个电解质膜定向的第二子垫片表面的第二子垫片层，其中所述第二子垫片表面上未设置有第二粘合剂层。
9.ー种燃料电池卷材子组件,包括 多个单个电解质膜，每个单个电解质膜包括中心区域；以及 附接到所述多个单个电解质膜的子垫片幅材，所述子垫片幅材具有多个孔，并且被布置为使得所述单个电解质膜的所述中心区域通过所述子垫片幅材的所述孔暴露出来。
10.根据权利要求9所述的燃料电池卷材组件，其中所述子垫片幅材包括阶梯幅材。
11.ー种燃料电池子组件，包括 电解质膜；以及粘附于所述电解质膜的第一子垫片，所述第一子垫片具有朝向所述电解质膜定向的第一子垫片表面和设置在所述第一子垫片表面上的第一粘合剂层；以及 第二子垫片，所述第二子垫片具有朝向所述电解质膜定向的第二子垫片表面，其中所述第二子垫片在所述第ニ子垫片表面的大部分上不包括第二粘合剂层。
12.根据权利要求11所述的燃料电池子组件，其中所述第二子垫片在所述第ニ子垫片表面上没有粘合剤。
13.根据权利要求11所述的燃料电池子组件，其中所述第一粘合剂层接触所述第二垫片表面。
14.根据权利要求11所述的燃料电池子组件，其中所述第二子垫片未粘附于所述电解质膜，并且通过所述第一粘合剂层粘附于所述第一子垫片。
15.ー种燃料电池卷材子组件,包括 多个单个电解质膜，每个电解质膜包括中心区域； 粘附于所述单个电解质膜的ー个或多个第一子垫片，每个所述第一子垫片具有至少ー个孔，所述第一子垫片被布置为使得所述单个电解质膜的所述中心区域通过所述第一子垫片的所述孔暴露出来；以及 包括具有多个孔的幅材的第二子垫片，所述第二子垫片的幅材被布置为使得所述单个电解质膜的所述中心区域的第二表面通过所述第二子垫片的幅材的所述孔暴露出来，其中所述第二子垫片表面的大部分上未设置有粘合剂层。
16.根据权利要求15所述的燃料电池卷材子组件，其中每个所述第一子垫片的所述第 一粘合剂层接触所述第二子垫片表面。
17.根据权利要求15所述的燃料电池卷材子组件，其中所述ー个或多个第一子垫片包括具有多个孔的幅材。
18.根据权利要求15所述的燃料电池卷材组件，其中所述电解质膜包括催化剂涂覆的膜。
19.根据权利要求15所述的燃料电池卷材组件，还包括设置在所述单个电解质膜的所述中心区域上的气体扩散层或催化剂涂覆的气体扩散层。
20.一种制造燃料电池卷材子组件的自动化卷对卷方法，包括 提供具有多个孔的细长第一子垫片幅材与多个单个电解质膜之间的相对移动，每个单个电解质膜具有中心区域； 将所述单个电解质膜与所述第一子垫片幅材对齐，使得每个电解质膜的中心区域与所述第一子垫片幅材的孔对齐；以及 将所述单个电解质膜附接到所述第一子垫片幅材。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一子垫片幅材设置在可再贴粘合剂载体幅材上。
22.根据权利要求20所述的方法，还包括 将具有附接到其上的所述单个电解质膜的所述第一子垫片幅材切割成多个单个子垫片式月吴; 提供具有多个孔的第二子垫片幅材与所述多个单个子垫片式膜之间的相对移动； 将所述单个子垫片式膜与所述第二子垫片幅材对齐，使得每个电解质膜的中心区域与所述第二子垫片幅材的孔对齐；以及 将所述单个子垫片式膜附接到所述第二子垫片幅材。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述第二子垫片幅材设置在可再贴粘合剂载体幅材上。
24.根据权利要求22所述的方法，其中 所述第一子垫片幅材包括朝向所述单个电解质膜定向的第一子垫片表面，并且第一粘合剂层设置在第一子垫片表面上；并且 所述第二子垫片幅材包括朝向所述单个电解质膜定向的第二子垫片表面，并且所述第ニ子垫片表面的大部分不包括第二粘合剂层。
25.根据权利要求22所述的方法，其中 所述第一子垫片幅材包括朝向所述单个电解质膜定向的第一子垫片表面，并且第一粘合剂层设置在第一子垫片表面上；并且 所述第二子垫片幅材包括朝向所述单个电解质膜定向的第二子垫片表面，并且所述第ニ子垫片表面不包括第二粘合剂层。
26.根据权利要求20所述的方法，还包括 提供具有多个孔的第二子垫片幅材和具有附连到其上的所述单个电解质膜的所述第一子垫片幅材之间的相对移动； 将所述第二子垫片幅材与具有附连到其上的所述单个电解质膜的所述第一子垫片幅材对齐，使得每个电解质膜的中心区域与所述第二子垫片幅材的孔对齐；以及 将具有附连到其上的所述单个电解质膜的所述第一子垫片幅材附接到所述第二子垫片幅材。
27.根据权利要求26所述的方法，其中 所述第一子垫片幅材包括朝向所述单个电解质膜定向的第一子垫片表面，并且第一粘合剂层设置在第一子垫片表面上；并且 所述第二子垫片幅材包括朝向所述单个电解质膜定向的第二子垫片表面，并且所述第ニ子垫片表面不包括第二粘合剂层。
28.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一子垫片幅材和所述第二子垫片幅材中的一者或两者设置在可再贴载体幅材上。
29.根据权利要求20所述的方法，还包括 移动电解质膜幅材，使其接触旋转压模；以及 使用所述旋转压模将所述电解质膜幅材切割成所述单个电解质膜。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述旋转压模包括旋转真空压模，所述旋转真空压模将所述单个电解质膜保留在所述旋转压模的表面上，并且将所述单个电解质膜移动到接触所述第一子垫片幅材。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述旋转压模包括 圆筒形芯； 位于圆筒形芯上并限定压模腔和所述压模腔之间的间隙的压模刀片；以及 设置在所述压模腔内的适形压模腔插件。
全文摘要
本文公开了包括多个单个电解质膜的燃料电池卷材子组件。一个或多个第一子垫片附接到所述单个电解质膜。每个所述第一子垫片至少具有一个孔并且所述第一子垫片被布置为使得所述单个电解质膜的所述中心区域通过所述第一子垫片的所述孔暴露出来。第二子垫片包括具有多个孔的幅材。所述第二子垫片幅材附接到所述一个或多个第一子垫片，使得所述单个电解质膜的所述中心区域通过所述第二子垫片幅材的所述孔暴露出来。所述第二子垫片幅材在面向所述电解质膜的所述子垫片表面上可以几乎不含或完全不含粘合剂。
文档编号H01M8/24GK102687323SQ201080059305
公开日2012年9月19日 申请日期2010年12月20日 优先权日2009年12月22日
发明者丹尼尔·M·皮尔庞特, 史蒂文·J·哈姆罗克, 唐纳德·G·彼得森, 埃里克·J·艾佛森, 斯特凡·J·奥布拉多维奇, 迈克尔·A·扬德拉希茨 申请人:3M创新有限公司