[发明专利]用于制造膜电极组件的系统和方法

说明书

本发明提供一种用于制造膜电极组件的系统，所述系统包含：能够沿着第一轨道往复移动的第一滑座，第一滑座具有支撑平台；能够沿着第二轨道往复移动的第二滑座，第二滑座具有支撑平台；用于将包含气体扩散层的片材供应至所述滑座的所述支撑平台上的片材供应装置；和用于在第一和第二轨道的至少一部分之间供应包含离子传导性膜的连续卷材的供应装置，其中所述系统经布置使第一和第二滑座在所述连续卷材两侧对齐，并且第一和第二滑座的所述支撑平台面向所述连续卷材，由此所述系统适于以对齐的构造将所携带的片材粘合至所述连续卷材的相对侧。

本发明涉及用于制造膜电极组件(MEA)的系统和方法，特别是用于燃料电池的MEA。特别地，涉及允许高速形成完全装配的MEA的系统，例如通过将气体扩散层(GDL)附着到催化剂涂覆的膜(CCM)。

燃料电池是包含由电解质隔开的两个电极的电化学电池。燃料如氢气或者醇如甲醇或乙醇被供应至阳极，氧化剂如氧气或空气被供应至阴极。在电极处发生电化学反应，燃料和氧化剂的化学能转化为电能和热。使用电催化剂来促进阳极处燃料的电化学氧化和阴极处氧气的电化学还原。

在以氢气为燃料或以醇为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，电解质为固体聚合物膜，其是电绝缘的和质子传导性的。在阳极处产生的质子跨过膜输送到阴极，在这里它们与氧气结合来形成水。最广泛应用的醇燃料是甲醇，这种类型的PEMFC经常被称作直接甲醇燃料电池(DMFC)。

已知PEMFC的首要元件是膜电极组件(MEA)，基本上包含五层。中间层是聚合物离子传导性膜。离子传导性膜的每侧具有电催化剂层，含有设计用于特定电催化反应的电催化剂。最后，与各电催化剂层相邻具有气体扩散层。气体扩散层必须允许反应物到达电催化剂层，并且必须传导由电化学反应产生的电流。所以，气体扩散层必须是多孔的和导电的。

典型地，MEA通过两种通用手段之一来制造：

(i)可以将电催化剂层施用到GDL来形成气体扩散电极(GDE)。可以将两个GDE置于离子传导性膜的两侧，并层合在一起来形成MEA；

(ii)可以将电催化剂层施用到离子传导性膜的两面来形成CCM。随后，将GDL施用到CCM的两面。

典型地，还将密封元件围绕MEA周边放置来密封多孔层的边缘和阻止反应物气体溢出和混合，并且增强和强化MEA的边缘以保护任何暴露的膜边缘，并且为随后当MEA装配到完整的燃料电池中时衬入衬垫元件提供坚固的表面。密封元件可以在制造MEA的一个或多个阶段引入，例如在制造CCM期间，或者引入GDL时，或者制造后施用到完整的MEA时。当将密封元件施用到CCM或者到GDL时，它可以提供另外的功能：促进MEA的子元件粘结来制成完全整合的MEA。

用于将GDL整合到MEA中的多数MEA制造方法依赖于通过包括以下的方法来将子元件粘结在一起：在升高的温度和压力将元件置于一起，并保持足以在元件之间形成耐久和长效的粘合的特定时间。这样的热粘合或热压方法也依赖于粘结促进剂或粘合剂的存在。粘合剂典型地与密封元件掺在一起，形式为密封元件表面上的热熔粘合剂薄层。为了降低制造成本和加快制造速度，近来在研发更快的连续卷到卷制造CCM和MEA的方法方面取得了可观的进展。但是，通过热压步骤将GDL粘结到MEA上仍是缓慢的过程，即使是通过使用例如热轧辊来施加所需的压力和热充足的时间以形成适宜的粘结，从而以连续方式施用GDL。

所以，需要提供能够以更快的速度生产完全整合的MEA，同时还提供元件非常精确的对齐的改进系统。

根据第一方面，本发明提供了一种用于制造膜电极组件的系统，其包含：

能够沿着第一轨道往复移动的第一滑座，第一滑座具有支撑平台；

能够沿着第二轨道往复移动的第二滑座，第二滑座具有支撑平台；

用于将包含气体扩散层的片材供应至所述滑座的所述支撑平台上的片材供应装置；和