[发明专利]层叠式燃料电池组件

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于装配层叠式燃料电池的方法与装置，其中包括一个或多个冲头（punch）的装配头是用来从片材料切割出部分并用来将该部分转移至用于层叠的电极板。

背景技术

典型地借由将许多单独的电池层叠在一起来装配基于质子交换膜技术的燃料电池。每个电池均包括膜电极组件（MEA），且在该MEA的两侧具有相关的阳极和阴极板。使用垫片以确保在该MEA周围的流体紧密密封。

图1中示出传统燃料电池10的典型布局，其中，为清楚起见，以分解形式说明不同的层。固态高分子离子转移膜11夹设于阳极12和阴极13之间。典型地，阳极12和阴极13皆由诸如多孔碳之类的导电的多孔材料形成，其中，铂和/或其他贵金属催化剂的小颗粒被键合（bond）至该材料。阳极12和阴极13通常与膜11的各相邻表面直接键合。通常将这种组合合起来称为膜电极组件。

阳极流体流场板14和阴极流体流场板15将高分子膜11和多孔电极层12、13夹设于其中。中间背衬层12a、13a也称为扩散层或气体扩散层，也可用于阳极流体流场板14和阳极12之间，且类似地可用于阴极流体流场板15和阴极13之间。背衬层12a、13a是多孔的，以允许气体扩散至阳极和阴极表面以及允许来自阳极和阴极表面的气体扩散，而且协助管理电池中的水汽及液态水。

流体流场板或电极板14、15皆由导电的非多孔材料形成，其中可借此形成分别至阳极电极12或阴极电极13的电性接触。同时，流体流场板促进流体燃料、氧化剂和/或反应产物输送至多孔电极12、13和/或从多孔电极12、13排出。这通常是借由在流体流场板表面形成流体流通路（例如在朝向多孔电极12、13的表面中的凹槽或通道16）来达到的。

电极板14、15是相互电绝缘的，而且通过使用置于流体流板与高分子膜11之间的流场区域周围的垫片来使得跨越板14、15的流场保持液密（fluid tight）。

为了允许产生有用的功率量，需要将如图1所示的单独的电池组件为较大的电池堆。这可以通过在平面堆中将多个电池层叠、形成交错的阳极和阴极板连结而完成。以串联方式连结单独的电池允许该堆产生较高的电压，而以并联方式连结电池或电池组允许产生较高的电流。可以使用多个堆来产生例如氢供电车辆的电源单元中用到的电力。

需装配大量的电池以形成每个单独的堆。因此，制造这样的堆需要许多单独的步骤，每个步骤均需要准确定位组成每个电池的各种层。任何的不对准都可能例如由于电短路或通过来自燃料或氧化剂路径的泄露而造成整个堆的故障。因此，对于燃料电池技术应用至量产而言，重要的是装配堆的制造工艺快速、准确而且可靠。

关于这些燃料电池堆装配的特殊问题涉及到诸如垫片之类的部件的准确定位与对准，这类部件本质上是弹性的，因此相对于诸如金属流体流场板之类的弹性较小的部件来说对准更加困难，尤其是当需要亚毫米级（sub-millimetre）位置精度时。垫片可以以附着性垫片材料的冲模（die）切割片的形式提供，在放置于诸如流体流场板或MEA的基材上之前，需要将垫片与背衬纸分离。

很难在没有对准工具的辅助下手工完成对这种附着性材料的准确定位，而且这是高度劳力密集型工作。

使用针对燃料电池组件弹性部件的预切片（pre-cut sheet）也有问题，因为该片可能在处理和装配过程中被移动或扭曲。使用例如具有附着层（例如垫片）的背衬纸将倾向于减少扭曲，但是可能不足以维持这种垫片的可重复亚毫米级定位精度。

进一步的问题是如何以尽可能少的操作来装配层叠式燃料电池以加速整体工艺并减少可能受定位公差（positioning tolerance）约束的变量数目。

更一般性的进一步问题是如何加速装配层叠式燃料电池的整体工艺而不牺牲精度或可重复性。

发明内容

本发明的目的是解决上述提及的多个问题中的一个或多个。

根据本发明的第一方案，提供了一种装配层叠式燃料电池的方法，该方法包括步骤如下：

将第一片材料提供至第一冲模；

将装配头移位至邻近该第一冲模的第一位置，该装配头包括第一冲头，该第一冲头具有配置为与该第一冲模啮合的表面；

使该第一冲头与该第一冲模啮合以从该第一片材料分割出一部分；

将第一片部分附着至该第一冲头的该表面；

将该装配头连同该第一片材料部分移位至包括电极板的装配站；以及

将该第一片材料部分施加至该电极板的表面。