專利名稱：用于質(zhì)子交換膜燃料電池的組合電極組件的制造技術(shù)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)生電能從而為車輛或其它機(jī)械裝置供電的燃料電
池。特別是，本發(fā)明涉及一種組合電極組件(UEA)的新型制造方法 以改進(jìn)燃料電池中的組合電極組件的耐受性和性能。
背景技術(shù)：
用于燃料電池的膜電極組件(MEA)包括離聚物膜，所述離聚物膜 的相對側(cè)上涂覆有催化劑層。氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM)層被附接或接靠在 相應(yīng)的催化劑層上。在燃料電池中，具有流場通道的雙極板接靠在每 個氣體擴(kuò)散介質(zhì)層上以使反應(yīng)氣體和副產(chǎn)物氣體流過。
出于多種原因的考慮，優(yōu)選使膜電極組件的催化劑層和離聚物膜 與氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM)層結(jié)合形成單個部件，所述單個部件已公知為 組合電極組件(UEA)。由于氣體擴(kuò)散介質(zhì)層被附接到膜電極組件上， 因此必須滿足多個標(biāo)準(zhǔn)。第一，附接工藝必須不會改變離聚物膜或催 化劑的性質(zhì)。這需要對結(jié)合溫度和壓力進(jìn)行精確控制。
笫二，附接工藝必須不會改變氣體擴(kuò)散介質(zhì)層的性質(zhì)。這需要避 免出現(xiàn)例如使氣體擴(kuò)散介質(zhì)出現(xiàn)凹陷、劃痕和撕裂等嚴(yán)重缺陷，以及 對附接工藝參數(shù)如施加到氣體擴(kuò)散介質(zhì)上的壓力大小進(jìn)行精確控制。 第三，必須保持氣體擴(kuò)散介質(zhì)與每個催化劑層之間的界面不受附接工 藝的影響。
第四，如果使用粘結(jié)劑將氣體擴(kuò)散介質(zhì)附接到膜電極組件上，則 粘結(jié)劑必須不會對氣體擴(kuò)散介質(zhì)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。第五，在附接 過程中必須相對于膜電極組件對氣體擴(kuò)散介質(zhì)進(jìn)行精確定位。如果附 接工藝僅能夠產(chǎn)生邊界公差，則組合電極組件將導(dǎo)致整體燃料電池尺 寸的增加。此外，還存在與氣體擴(kuò)散介質(zhì)布置中的較大公差相關(guān)聯(lián)的 性能和穩(wěn)定性問題。
存在多種重要的考慮因素涉及到將粘結(jié)劑施加到氣體擴(kuò)散介質(zhì)上 的過程。這些考慮因素之一是需要有利于將粘結(jié)劑精確地定位放置在 氣體擴(kuò)散介質(zhì)上，原因在于這種定位可能會影響燃料電池的性能、尺
寸和耐久性。另一重要考慮因素涉及需要施加具有最小厚度的粘結(jié)劑 層，以便避免在膜電極組件的活性區(qū)域中產(chǎn)生壓縮或在膜電極組件的 活性區(qū)域中出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的情況。此外，粘結(jié)劑必須與燃料電池 環(huán)境相容且必須不給膜電極組件或氣體擴(kuò)散介質(zhì)帶來任何污染物。
因此，需要一種組合電極組件的制造方法，所述制造方法滿足了 上述標(biāo)準(zhǔn)且導(dǎo)致產(chǎn)生了特征在于在燃料電池中的耐受性和性能得以增 強(qiáng)的組合電極組件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要涉及一種組合電極組件(UEA)的新型制造方法以改進(jìn) 燃料電池中的組合電極組件的耐受性和性能。所述制造方法包括采用 絲網(wǎng)印刷或其它印刷方法將粘結(jié)劑精確地施加到氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM ) 上、相對于膜電極組件(MEA)對所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)進(jìn)行精確定位、并 且在不使用過高溫度或壓力的情況下將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)輕壓到所述 膜電極組件上。


現(xiàn)在將通過實例并結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行描述，其中 圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的組合電極組件制造方法的典型實施例 進(jìn)行實施的順序方法步驟的流程圖2A是氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM)的側(cè)視圖，圖中示出了將粘結(jié)劑印
刷到氣體擴(kuò)散介質(zhì)上的過程；
圖2B是膜電極組件和氣體擴(kuò)散介質(zhì)的側(cè)視圖，二者都被安裝在組 件固定裝置(以幻影圖的形式示出)中，且圖中示出了在將氣體擴(kuò)散
程；和
圖2C是在氣體擴(kuò)散介質(zhì)被壓到膜電極組件上之后的組合電極組件 的側(cè)視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明構(gòu)想了一種新型的組合電極組件(UEA)的制造方法，所述 制造方法導(dǎo)致產(chǎn)生了特征在于在燃料電池中的耐受性和性能得以改進(jìn)
的組合電極組件。根據(jù)本發(fā)明的組合電極組件制造方法，采用絲網(wǎng)印
刷或其它印刷方法將粘結(jié)劑印刷在氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM)上。隨后相對 于膜電極組件(MEA)對氣體擴(kuò)散介質(zhì)進(jìn)行精確定位，且隨后在不使用 過高溫度或壓力的情況下將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)輕壓到膜電極組件上。 盡管該方法適于進(jìn)行大量的連續(xù)工藝生產(chǎn)，但可以批量工藝的方式實 施組合電極組件制造方法。
組合電極組件制造方法是在凈室環(huán)境中進(jìn)行實施的。在整個工藝 過程中必須防止灰塵、污垢、金屬挫屑、纖維和類似物接觸膜電極組 件或氣體擴(kuò)散介質(zhì)。在進(jìn)行組合電極組件的組裝之前，必須去除在工 藝過程中存在于膜電極組件或氣體擴(kuò)散介質(zhì)上的任何碎屑。
參見圖1所示的流程圖并結(jié)合圖2A-圖2C，如圖1中的步驟1所 示，組合電極組件制造方法從將氣體擴(kuò)散介質(zhì)精確地切割至所需尺寸 而開始。切割步驟將有利于在下文將要進(jìn)行描述的隨后進(jìn)行的工藝步 驟中將粘結(jié)劑精確地定位放置在氣體擴(kuò)散介質(zhì)上。優(yōu)選在凈室環(huán)境外 部實施切割步驟，原因在于切割工藝將來自受到切割的氣體擴(kuò)散介質(zhì) 的顆粒碎屑引入環(huán)境內(nèi)。經(jīng)過切割的氣體擴(kuò)散介質(zhì)通常隨后經(jīng)受流動 空氣的作用以從其上面去除外來碎屑。
如圖1中的步驟2所示，且如圖2A所示，接下來將氣體擴(kuò)散介質(zhì) 18放置在例如絲網(wǎng)印刷機(jī)的固定裝置26中。固定裝置26將氣體擴(kuò)散 介質(zhì)18精確地定位放置在印刷機(jī)中以將粘結(jié)劑19精確地施加到氣體 擴(kuò)散介質(zhì)18上。接下來，絲網(wǎng)印刷機(jī)以精確受控的方式通常沿氣體擴(kuò) 散介質(zhì)18的邊緣將粘結(jié)劑薄層19施加到氣體擴(kuò)散介質(zhì)18上(步驟3 )。 篩網(wǎng)尺寸是用于控制粘結(jié)劑19在氣體擴(kuò)散介質(zhì)18上的厚度和分布的 設(shè)計參數(shù)。粘結(jié)劑19優(yōu)選被均勻地分布在氣體擴(kuò)散介質(zhì)18的所需區(qū) 域中，而不產(chǎn)生空隙或過大的厚度。粘結(jié)劑19的厚度不應(yīng)超過25pm。
如上所述，可使用絲網(wǎng)印刷機(jī)以批量印刷工藝的方式實施粘結(jié)劑 施加步驟。然而，應(yīng)該理解，粘結(jié)劑施加步驟不限于絲網(wǎng)印刷或批量 印刷?？墒褂帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員已公知的多種技術(shù)以精確受控的方式將 粘結(jié)劑19施加到氣體擴(kuò)散介質(zhì)18上，所述多種技術(shù)包括，但不限于， 例如連續(xù)工藝印刷和貼花轉(zhuǎn)印(decal transfer)工藝。
在將粘結(jié)劑19施加到氣體擴(kuò)散介質(zhì)18上之后，從絲網(wǎng)印刷機(jī)的 固定裝置26上去除氣體擴(kuò)散介質(zhì)18并將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)放置在組
件固定裝置20中，如圖2B且如圖1中的步驟4所示。具有離聚物膜14 的膜電極組件12也被安放在組件固定裝置20中，所述離聚物膜的兩 側(cè)涂覆有催化劑層16。利用精確的數(shù)據(jù)將氣體擴(kuò)散介質(zhì)18定位放置在 真空支承件22上，且將膜電極組件12定位放置在真空支承件24上(圖 1中的步驟5)，所述真空支承件24與組件固定裝置20的真空支承件 22隔開一定距離。 一旦氣體擴(kuò)散介質(zhì)18被精確地定位放置在真空支承 件22上且膜電極組件12被精確地定位放置在真空支承件24上，則通 過真空支承件22、 24施加真空壓力從而分別保持氣體擴(kuò)散介質(zhì)18和 膜電極組件12處于適當(dāng)位置處。在組件固定裝置20中，先前在步驟3 中被施加到氣體擴(kuò)散介質(zhì)18上的粘結(jié)劑19面對膜電極組件12上的催 化劑層16，氣體擴(kuò)散介質(zhì)18將要被附接到所述催化劑層上。
將氣體擴(kuò)散介質(zhì)18和膜電極組件12精確地定位放置在組件固定 裝置20中需要控制凈室的溫度和濕度。膜電極組件12的尺寸將作為 環(huán)境濕度和溫度的函數(shù)而產(chǎn)生變化。因此，凈室環(huán)境中過度的濕度或 溫度水平將使得不可能在較窄的公差范圍內(nèi)使氣體擴(kuò)散介質(zhì)18相對于 膜電極組件12對齊。在組合電極組件制造方法的該步驟中，凈室環(huán)境 所可能允許的溫度和濕度范圍將取決于所使用的氣體擴(kuò)散介質(zhì)和膜電 極組件的特定類型。對于組合電極組件制造方法而言最佳的環(huán)境濕度 和溫度水平為約42±7%的相對濕度和約21±2 :攝氏度的溫度。此外，必 須根據(jù)氣體擴(kuò)散介質(zhì)18的性質(zhì)調(diào)節(jié)由組件固定裝置20施加到氣體擴(kuò) 散介質(zhì)18上的真空壓力的大小，原因在于不同類型的氣體擴(kuò)散介質(zhì)18 的氣體透過率呈現(xiàn)出變化，且因此需要不同大小的真空壓力以將它們 保持在適當(dāng)位置處。
由于膜電極組件12中的離聚物膜14所具有的脆性，因此在將膜 電極組件12定位放置在組件固定裝置20中的過程中不應(yīng)將真空壓力 施加到離聚物膜14的活性區(qū)域上。另外，離聚物膜14傾向于使催化 劑層16起皺或出現(xiàn)摺痕。因此，有必要基于膜電極組件12的構(gòu)造對 真空支承件24中的真空開口 (未示出)相對于膜電極組件12的位置 進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及對由真空支承件24施加在膜電極組件12上的真空壓 力的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。
在已經(jīng)在組件固定裝置20中使氣體擴(kuò)散介質(zhì)18與膜電極組件12 精確地對齊之后，通過操作組件固定裝置20而將氣體擴(kuò)散介質(zhì)18壓
到膜電極組件12上從而形成組合電極組件10，如圖2C且如圖1中的 步驟6所示。根據(jù)所采用的加工方式，可在連續(xù)工藝中實施該步驟或 一部分一部分地實施該步驟。有必要采用三個鍵控裝置適當(dāng)?shù)貙嵤┰?壓按附接步驟。首先，對于壓按步驟而言，必須對由組件固定裝置20 分別施加在氣體擴(kuò)散介質(zhì)18和膜電極組件12上的一定大小的真空壓 力進(jìn)行適當(dāng)定時。優(yōu)選使用自動控制裝置而在更大程度上實現(xiàn)對真空 定時和保壓時間的工藝控制。對真空定時和保壓時間進(jìn)行自動控制將 確保組合電極組件及其部件在適當(dāng)?shù)臅r間從一個工藝步驟被傳遞至下 一個工藝步驟。如果使用手動控制，可以設(shè)想或出現(xiàn)由于人為失誤而 導(dǎo)致真空壓力過早停止從而可能導(dǎo)致組合電極組件出現(xiàn)氣體擴(kuò)散介質(zhì) 定位問題的情景。
其次，必須緊密地控制將涂覆有粘結(jié)劑的氣體擴(kuò)散介質(zhì)18壓到膜 電極組件12上所使用的壓力大小。如果使用過小的壓力，則附接結(jié)合
膜電:組件io的操控。另一方面:、如果使用過高的壓力，則將在氣體
擴(kuò)散介質(zhì)18中誘發(fā)永久的壓縮變形。這將損耗組裝好的燃料電池中的 氣體擴(kuò)散介質(zhì)18的功能性容量。用于將涂覆粘結(jié)劑的氣體擴(kuò)散介質(zhì)18 壓到膜電極組件12上的目標(biāo)壓力取決于所使用的氣體擴(kuò)散介質(zhì)的類 型。第三，必須對實施壓按附接步驟所處的凈室的溫度和濕度進(jìn)行控 制。優(yōu)選地，凈室的相對濕度被保持在約42±7%且溫度被保持在約21±2 攝氏度。
在將氣體擴(kuò)散介質(zhì)18壓到膜電極組件12上之后，從組件固定裝 置20上除去制造出的組合電極組件10。正如圖1的步驟7中所表明地， 組裝好的組合電極組件10被置于氣密袋(未示出)中以防止受到污染 并且在將組合電極組件10組裝在燃料電池內(nèi)的過程中保持組合電極組 件10的尺寸穩(wěn)定性。
盡管上面已經(jīng)對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行了描述，但應(yīng)該認(rèn)識并 理解，可對本發(fā)明作出多種變型且所附權(quán)利要求書旨在覆蓋可能落入 本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有這種變型。
權(quán)利要求
1、一種制造用于聚合電解質(zhì)膜的組合電極組件的方法，所述方法包括提供氣體擴(kuò)散介質(zhì)和膜電極組件；在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)上印刷粘結(jié)劑；相對于所述膜電極組件對所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)進(jìn)行定位；并且將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)和所述粘結(jié)劑壓靠在所述膜電極組件上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)上 印刷粘結(jié)劑的步驟包括絲網(wǎng)印刷工藝。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)上 印刷粘結(jié)劑的步驟包括批量印刷工藝。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)上 印刷粘結(jié)劑的步驟包括連續(xù)工藝印刷。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)上 印刷粘結(jié)劑的步驟包括貼花轉(zhuǎn)印工藝。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述相對于所述膜電極組件 對所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)進(jìn)行定位的步驟包括提供包括一對真空支承件的 組件固定裝置；分別將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)和所述膜電極組件定位放置 在所述真空支承件上；并且利用真空壓力分別將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)和 所述膜電極組件附接到所述真空支承件上。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)上劑。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)和 所述粘結(jié)劑壓靠在所述膜電極組件上的步驟包括在最大壓力下將所述 氣體擴(kuò)散介質(zhì)和所述粘結(jié)劑壓靠在所述膜電極組件上，所述最大壓力 足夠低從而防止所選擇的氣體擴(kuò)散介質(zhì)產(chǎn)生永久變形。
9、 一種制造用于聚合電解質(zhì)膜的組合電極組件的方法，所述方法 包括提供氣體擴(kuò)散介質(zhì)和膜電極組件；將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)切割至所需尺寸；在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)上以受控方式印刷粘結(jié)劑； 相對于所述膜電極組件對所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)進(jìn)行定位；并且 將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)和所述粘結(jié)劑壓靠在所述膜電極組件上。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述在所迷氣體擴(kuò)散介質(zhì) 上印刷粘結(jié)劑的步驟包括絲網(wǎng)印刷工藝。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì) 上印刷粘結(jié)劑的步驟包括批量印刷工藝.
12、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì) 上印刷粘結(jié)劑的步驟包括連續(xù)工藝印刷。
13、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì) 上印刷粘結(jié)劑的步驟包括貼花轉(zhuǎn)印工藝。
14、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述相對于所述膜電極組 件對所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)進(jìn)行定位的步驟包括提供包括一對真空支承件 的組件固定裝置；分別將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)和所述膜電極組件定位放 置在所述真空支承件上；并且利用真空壓力分別將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì) 和所述膜電極組件附接到所述真空支承件上。
15、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì) 上印刷粘結(jié)劑的步驟包括沿所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)的邊緣部分印刷所述粘 結(jié)劑。
16、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì) 和所述粘結(jié)劑壓靠在所述膜電極組件上的步驟包括在最大壓力下將所 述氣體擴(kuò)散介質(zhì)和所述粘結(jié)劑壓靠在所述膜電極組件上，所述最大壓 力足夠低從而防止所選擇的氣體擴(kuò)散介質(zhì)產(chǎn)生永久變形。
17、 一種制造用于聚合電解質(zhì)膜的組合電極組件的方法，所述方 法包括提供氣體擴(kuò)散介質(zhì)和膜電極組件； 將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)切割至所需尺寸；在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)上以受控方式印刷粘結(jié)劑，使所述粘結(jié)劑達(dá) 到足夠厚以防止出現(xiàn)孔隙但仍小于"(am厚的厚度；相對于所述膜電極組件對所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)進(jìn)行定位；并且 將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)和所述粘結(jié)劑壓靠在所述膜電極組件上。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中在約19攝氏度至約23攝 氏度的溫度和約37%至約50%的相對濕度下實施所述工藝。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述相對于所述膜電極組 件對所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)進(jìn)行定位的步驟包括提供包括一對真空支承件 的組件固定裝置；分別將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)和所述膜電極組件定位放 置在所述真空支承件上；并且利用真空壓力分別將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì) 和所述膜電極組件附接到所述真空支承件上。
20、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì) 和所述粘結(jié)劑壓靠在所述膜電極組件上的步驟包括在最大壓力下將所 述氣體擴(kuò)散介質(zhì)和所述粘結(jié)劑壓靠在所述膜電極組件上，所述最大壓 力足夠低從而防止所選擇的氣體擴(kuò)散介質(zhì)產(chǎn)生永久變形。
21、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì) 上印刷粘結(jié)劑的步驟包括沿所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)的邊緣部分印刷所述粘 結(jié)劑.
22、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì) 上印刷粘結(jié)劑的步驟是絲網(wǎng)印刷工藝或貼花轉(zhuǎn)印工藝。
23、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì) 上印刷粘結(jié)劑的步驟是批量印刷工藝或連續(xù)工藝印刷。
全文摘要
披露了一種制造用于聚合電解質(zhì)膜的組合電極組件的方法。所述方法包括提供氣體擴(kuò)散介質(zhì)和膜電極組件、在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)上印刷粘結(jié)劑、相對于所述膜電極組件對所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)進(jìn)行定位并且將所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)和所述粘結(jié)劑壓靠在所述膜電極組件上。
文檔編號B05D5/12GK101103476SQ200580041744
公開日2008年1月9日 申請日期2005年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月7日
發(fā)明者B·拉克什馬南, J·P·赫利, R·L·詹姆斯, S·D·瓦倫丁 申請人:通用汽車公司