层压设备和方法技术

本发明专利技术提供用于制造聚合物电解液膜燃料电池的部件和设备，以及用于通过旋转冲切和通过层压各种层来形成膜电极组件以制造它们的自动化方法。提供一种用于制作膜电极组件的方法以及执行该方法的设备，该方法包括以下步骤：提供一聚合物电解液膜材料（１１０）的卷材和一层压工段（５０），在该层压工段中，在形成一层压辊隙的层压工段中的一对层压辊（１８０，１９０）之间拖动聚合物电解液膜材料（１１０）的卷材；冲切催化剂贴花纸材料或电极材料的一第一和第二卷材，以在第一和第二转模工段（１０，２０）处制成第一和第二工件（１００），所述工件的形状通常是呈除了平行四边形之外的形状；通常是在冲切的工件（１００）从第一和第二卷材完全切割下来之前、通过低于大气压的压力的作用来将它们保持至第一和第二真空输送器的一环状多孔皮带（１２０）；将第一和第二工件（１００）运输到层压工段中的膜（１１０）的相对侧；通常是在第一和第二工件（１００）被第一和第二真空输送器（３０，４０）完全释放之前、将第一和第二工件（１００）同时进给到与膜相邻的层压辊隙中；以及，有利的是以精确配准的状态将第一和第二工件层压到膜上。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
层压设备和方法
本专利技术涉及用于制造聚合物电解液膜燃料电池的部件和设备，以及用于通过层压各种层来形成膜电极组件以制造它们的自动化方法。
技术介绍
美国专利第6,159,327号、第6,007,660号以及第5,783,024号揭示了用于制作在一侧或两侧上层压有层压物的剪切薄片的多个基片的设备和方法。
技术实现思路
简要地说，本专利技术提供一种用于制作膜电极组件的方法，该方法包括以下步骤：提供一聚合物电解液膜材料的卷材和一层压工段，在该层压工段中，在形成一层压辊隙的层压工段中的一对层压辊之间拖动聚合物电解液膜材料的卷材；冲切催化剂贴花纸材料或电极材料的一第一和第二卷材，以在第一和第二转模工段处制成第一和第二工件；通常是在冲切的工件从第一和第二卷材完全切割下来之前，通过低于大气压的压力的作用将它们保持至第一和第二真空输送器的一环状多孔皮带；将第一和第二工件运输到层压工段中的膜的相对侧；通常是在第一和第二工件被第一和第二真空输送器完全释放之前，将第一和第二工件同时进给到与膜相邻的层压辊隙中；以及，有利的是以精确配准的状态来将第一和第二工件层压到膜上。在另一方面，本专利技术提供一种用于制作膜电极组件的设备，该设备包括：一层压工段；一第一和第二真空输送器；以及一第一和第二转模工段。这五个部件可定位和传动连接在一起，以使从第一和第二转模工段出现的第一和第二工件在完全从第一和第二卷材切割下来之前就通过低于大气压的压力的作用保持至第一和第二真空输送器的环状多孔皮带，并且在它们被真空输送器释放之前就被进给入与膜相邻的层压辊隙中。-->在另一方面，本专利技术提供一种包括多个膜电极组件的膜，所述膜包括：具有一第一和第二表面的一聚合物电解液膜；多个第一带有图案的催化剂层节段或电极，它们层压在膜的第一表面上，且使相邻的带有图案的催化剂层节段彼此不接触；以及多个第二带有图案的催化剂层节段或电极，它们层压在膜的第二表面上，且使相邻的带有图案的催化剂层节段彼此不接触。通常，第一带有图案的催化剂层节段或电极与第二带有图案的催化剂层节段或电极精确地配准。通常，所述第一和第二带有图案的催化剂层节段或电极的周界呈除了平行四边形之外的形状。第一催化剂层节段或电极的催化剂成分可不同于第二催化剂层节段或电极的催化剂成分。在另一方面中，本专利技术提供一种冲切的催化剂贴花纸或电极，其周界呈除了平行四边形之外的形状，且通常是通过旋转冲切的方法来制作。在本申请中：“层压”指的是将两片或多片薄片材料结合在一起；“膜电极组件”指的是包括至少三层的一结构，包括一催化剂层、一层聚合物电解液膜以及另一催化剂膜；它也可以包括五层，包括一流体运输层、一催化剂层、一层聚合物电解液膜、另一催化剂层以及另一流体运输层；以及“流体运输层”可包括以前称为“分散剂/集流器(DCC)”层、“”气体分散层”(GDL)或者“电极背衬层”(EBL′s)。本专利技术的优点在于提供了用于制造聚合物电解液膜燃料电池的方法、设备和部件。附图简述图1和2示出了根据本专利技术的一设备的两个视图。具体实施方式参见图1和2，根据本专利技术的一设备包括：一对转模工段10、20；一对成角度的真空输送器30、40；以及一层压工段50。成角度的真空输送器30、40可以是在共同待审批的美国专利申请第＿/＿,＿号中所描述的真空输送器，-->该申请的题目为“成角度的产品转移输送器(Angleed Product TransferConveyor)”，且与本申请同日提出。模切工段与成角度的真空输送机的多个组合(10与30以及20与40)可包括在与本申请同日提出、题目为“成角度的产品转移输送器”的共同待审批的美国专利申请第＿/＿,＿号中所描述的用于切割和运输的设备。层压工段50可包括在与本申请同日提出的、题目为“用于层压辊的间隙调整器(Gap Adjuster for Laminating Rolls)”的共同待审批的美国专利申请第＿/＿,＿号中所描述的间隔块和其它的层压设备。可以使用任何合适的转模工段。每一转模工段10、20包括一转模60，支承辊70可旋转地附接在包括框架件80的一框架上。驱动转模60和支承辊70中的一个或者两者。转模60和支承辊70通常是通过电子或机械的传动而传动连接在一起。在如图所示的设备中，支承辊70由伺服电动机90驱动，并机械地传动连接至转模60。可以采用任何适合的转模60与支承件70的组合。转模60通常包括缠绕在辊子外部上的一个或多个刃口(在图1和2中并不明显)，所述刃口的深度适于所要切割的材料。与产生具有选自平行四边形组的形状的工件的简单斩切或剪切设备不同，转模60能够从连续的卷材(未示出)中产生任意形状的切割工件100，包括诸如圆角的弧形部分。典型的冲切形状由于冲切机加工的层压而带有圆角，并因而不是平行四边形。连续卷材和切割工件100可以是要层压成膜110的任何适合的材料。在根据本专利技术的一个用于燃料电池的膜电极组件制造中的实施例中，工件100是包括一衬垫层和一包含微粒催化剂金属的、共同伸长的催化剂层的催化剂贴花纸(decal)。这样的工件是从在转模60的切割部分之下通过的、在至少一个部分上涂覆有催化剂层的衬垫层的连续卷材上切割下来的。可以使用任何合适的衬垫，包括厚度通常是小于1毫米、更通常是小于0.5毫米以及更加通常的是小于0.2毫米的任何适合的柔性聚合薄片材料。可通过任何合适的方法来施加催化剂层，包括棒条涂覆、喷涂、狭缝涂覆、刷涂以及类似的方法。催化剂层的厚度通常是小于1毫米，更通常是小于0.5毫米，以及更加通常是小于0.2毫米。可以使用任何合适的催化剂成分。通常催化剂成分包括支承在碳颗粒上的铂、钯、钌以及其它催化剂金属、或者催化剂金属组合的细粒。碳支承的催化剂颗粒通常为50-60％重量的碳和40-50％重量的催化剂-->金属，催化剂金属通常是，对于阴极包括Pt，以及对于阳极包括重量比为2∶1的Pt和Ru。典型的催化剂成分还可包括诸如磺化氟含聚合物之类的聚合物电解液材料，包括NafionTM或FlemionTM。通常，在层压催化剂贴花纸之后去除该衬垫。在根据本专利技术的另一用于燃料电池的膜电极组件制造中的实施例中，工件100是包括一流体运输层和一包含微粒催化剂金属的、共同伸长的催化剂层的电极。这样的工件是从在转模60的切割部分之下通过的、在至少一个部分上涂覆有催化剂层的流体运输层的连续卷材上切割下来的。可以使用任何合适的流体运输层。用于燃料电池用途的合适的流体运输层是多孔的以允许流体通过，并且是导电的。典型的流体运输层包括碳纤维织物、席子、无纺布和纸张，如Toray Carbon Paper(日本东京的Toray Industries Inc.的产品)。可以任何合适的方式来施加催化剂层，包括棒条涂覆、喷涂、狭缝涂覆、刷涂以及类似的方法。可使用任何合适的催化剂成分。典型的催化剂成分包括支承在碳颗粒上的铂、钯、钌以及其它催化剂金属、或者催化剂金属组合的细粒。碳支承的催化剂颗粒通常为50-60％重量的碳和40-50％重量的催化剂金属，催化剂金属通常，对于阴极包括Pt，以及对于阳极包括重量比为2∶1的Pt和Ru。典型的催化剂成分还可包括诸如磺化氟聚合物之类的聚合物电解液材料，包括NafionTM或Flemio本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冲切催化剂贴花纸，该贴花纸包括一衬垫层和一共同延伸的催化剂层，所述催化剂层包括颗粒催化剂金属，其中，所述贴花纸的周界呈除了平行四边形之外的形状。

【技术特征摘要】
US 2002-4-3 10/115,5231.一种冲切催化剂贴花纸，该贴花纸包括一衬垫层和一共同延伸的催化剂层，所述催化剂层包括颗粒催化剂金属，其中，所述贴花纸的周界呈除了平行四边形之外的形状。2.一种冲切电极，该电极包括一流体运输层和一共同延伸的催化剂层，所述催化剂层包括颗粒催化剂金属，其中，所述电极的周界呈除了平行四边形之外的形状。3.一种制作如权利要求1所述的冲切催化剂贴花纸的方法，该方法包括冲切催化剂贴花纸材料的一卷材，所述卷材包括一衬垫层和一催化剂层。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述冲切步骤包括旋转冲切。5.一种制作如权利要求2所述的冲切电极的方法，该方法包括冲切电极材料的一卷材，所述卷材包括一流体运输层和一催化剂层。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述冲切步骤包括旋转冲切。7.一种包括多个膜电极组件的膜，所述膜包括：具有一第一和第二表面的一聚合物电解液膜；多个第一带有图案的催化剂层节段，它们层压在所述膜的所述第一表面上，且使相邻的带有图案的催化剂层节段彼此不接触；以及多个第二带有图案的催化剂层节段，它们层压在所述膜的所述第二表面上，且使相邻的带有图案的催化剂层节段彼此不接触；其中，各所述第一带有图案的催化剂层节段有一周界，各所述第二带有图案的催化剂层节段具有与一相对的第一带有图案的催化剂层节段的周界精确地配准的一周界。8.一种包括多个膜电极组件的连续卷材，所述卷材包括：具有一第一和第二表面的一聚合物电解液膜；多个第一带有图案的催化剂层节段，它们层压在所述膜的所述第一表面上，且使相邻的带有图案的催化剂层节段彼此不接触；以及多个第二带有图案的催化剂层节段，它们层压在所述膜的所述第二表面上，且使相邻的带有图案的催化剂层节段彼此不接触；-->其中，各所述第一和第二带有图案的催化剂层节段的周界呈除了平行四边形之外的形状。9.如权利要求7所述的连续卷材，其特征在于，各所述第一和第二带有图案的催化剂层的周界呈除了平行四边形之外的形状。10.如权利要求7所述的连续卷材，其特征在于，所述第一催化剂层节段具有一第一催化剂成分，所述第二催化剂层节段具有与所述第一催化剂成分不同的一第二催化剂成分。11.如权利要求8所述的连续卷材，其特征在于，所述第一催化剂层节段具有一第一催化剂成分，所述第二催化剂层节段具有与所述第一催化剂成分不同的一第二催化剂成分。12.如权利要求9所述的连续卷材，其特征在于，所述第一催化剂层节段具有一第一催化剂成分，所述第二催化剂层节段具有与所述第一催化剂成分不同的一第二催化剂成分。13.一种包括多个膜电极组件的膜，所述膜包括：具有一第一和第二表面的一聚合物电解液膜；多个第一带有图案的电极层节段，它们层压在所述膜的所述第一表面上，且使相邻的带有图案的电极层节段彼此不接触，各第一带有图案的电极节段包括一流体运输层和一第一催化剂的共同延伸层；以及多个第二带有图案的电极层节段，它们层压在所述膜的所述第二表面上，且使相邻的带有图案的催化剂层节段彼此不接触，各第二带有图案的电极节段包括一流体运输层和一第二催化剂的共同延伸层；其中，各所述第一带有图案的电极层节段有一周界，各所述第二带有图案的电极层节段具有与一相对的第一带有图案的电极层节段的周界精确地配准的一周界。14.一种包括多个膜电极组件的膜，所述膜包括：具有一第一和第二表面的一聚合物电解液膜；多个第一带有图案的电极层节段，它们层压在所述膜的所述第一表面上，且使相邻的带有图案的电极层节段彼此不接触，各第一带有图案的电极节段包括一流体运输层和一第一催化剂的共同延伸层；以及-->多个第二带有图案的电极层节段，它们层压在所述膜的所述第二表面上，且使相邻的带有图案的催化剂层节段彼此不接触，各第二带有图案的电极节段包括一流体运输层和一第二催化剂的共同延伸层；其中，各所述第一和第二带有图案的电极层节段的周界呈除了平行四边形之外的形状。15.如权利要求13所述的连续卷材，其特征在于，各所述第一和第二带有图案的电极层的周界呈除了平行四边形之外的形状。16.如权利要求13所述的连续卷材，其特征在于，所述第一催化剂具有一第一催化剂成分，所述第二催化剂具有与所述第一催化剂成分不同的一第二催化剂成分。17.如权利要求14所述的连续卷材，其特征在于，所述第一催化剂具有一第一催化剂成分，所述第二催化剂具有与所述第一催化剂成分不同的一第二催化剂成分。18.如权利要求15所述的连续卷材，其特征在于，所述第一催化剂具有一第一催化剂成分，所述第二催化剂具有与所述第一催化剂成分不同的一第二催化剂成分。19.一种用于制作膜电极组件的方法，该方法包括以下步骤：1)提供一聚合物电解液膜材料的卷材；2)提供一层压工段，其中，在形成一层压辊隙的一对层压辊之间拖动聚合物电解液膜材料的所述卷材；3)冲切第一催化剂贴花纸材料的一第一卷材，所述卷材包括一衬垫层和一第一催化剂层，以制成一第一催化剂贴花纸；4)冲切第二催化剂贴花纸材料的一第二卷材，所述卷材包括一衬垫层和一第一催化剂层，以制成一第二催化剂贴花纸；5)将所述第一催化剂贴花纸运输到所述层压工段；6)将所述第二催化剂贴花纸运输到所述层压工段；7)将所述第一催化剂贴花纸进给到与聚合物电解液膜材料的所述卷材相邻的所述层压辊隙中；8)与所述第一催化剂贴花纸同时地将所述第二催化剂贴花纸进给到与聚合-->物电解液膜材料的所述卷材相邻的所述层压辊隙中；9)层压所述第一催化剂贴花纸、聚合物电解液膜材料的所述卷材以及所述第二催化剂贴花纸，以形成一层压物。20.一种制作如权利要求7所述的连续卷材的方法，包括权利要求19所述的方法，此外，还包括以下步骤：10)重复步骤1)-9)。21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括以下...

【专利技术属性】
技术研发人员：SA里普里，DI西尔斯，WF巴德尔，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]