燃料電池的膜電極組件及其制造方法和燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種燃料電池的膜電極組件及其制造方法和燃料電池系統(tǒng)，該膜電極組件包括第一基板、第二基板以及在第一基板和第二基板之間的催化劑層，其中第一基板是聚合物電解質(zhì)膜，第二基板是電極基板，或者第一基板是電極基板，第二基板是聚合物電解質(zhì)膜。催化劑層具有大約0.5或更大的h1/t1比率，其中s1表示在所述催化劑層的一端處所述第一基板上的點(diǎn)，h1表示所述第一基板和所述第二基板之間的距離，s2表示在所述第一基板上最靠近s1的點(diǎn)，在該點(diǎn)處所述催化劑層的高度（h）變?yōu)閔1，t1表示s1和s2之間的距離。通過(guò)減小陰影效應(yīng)，膜電極組件能包括大量催化劑，從而增加膜電極組件的能量密度。
【專利說(shuō)明】燃料電池的膜電極組件及其制造方法和燃料電池系統(tǒng)
[0001]本申請(qǐng)是2009年4月28日提交的題為“燃料電池的膜電極組件及其制造方法和燃料電池系統(tǒng)”的第200910132200.1號(hào)發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的膜電極(membrane-electrode)組件及其制造方法，以及包括該膜電極組件的燃料電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]燃料電池是能量產(chǎn)生系統(tǒng)，其通過(guò)氧化劑與包括在諸如甲醇、乙醇、天然氣等的碳?xì)浠衔锘牧现械臍涞碾娀瘜W(xué)氧化還原反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能。
[0004]燃料電池提供清潔能源，其能夠取代燃燒化石燃料(fossil fuel)的能量產(chǎn)生系統(tǒng)。典型燃料電池包括由單元電池組成的電池堆并且產(chǎn)生各種范圍的能量輸出。由于典型燃料電池的能量密度是小的鋰電池的四至十倍，所以燃料電池可以用作小的便攜電源。
[0005]典型的示范性燃料電池包括聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)和直接氧化燃料電池(D0FC)。直接氧化燃料電池包括利用甲醇作為燃料的直接甲醇燃料電池(DMFC)。
[0006]在工作中，燃料電池的燃料供給到燃料電池的陽(yáng)極并被吸附到陽(yáng)極的催化劑層上，燃料被氧化以產(chǎn)生質(zhì)子和電子。電子通過(guò)外部電路被傳輸?shù)饺剂想姵氐年帢O，質(zhì)子通過(guò)陽(yáng)極和陰極之間的聚合物電解質(zhì)膜被傳輸?shù)疥帢O。此外，氧化劑被供給到陰極，接著氧化齊U、質(zhì)子和電子在陰極的催化劑層上反應(yīng)以產(chǎn)生電和水。
[0007]通過(guò)利用金屬掩模，陽(yáng)極的催化劑層和/或陰極的催化劑層僅形成在聚合物電解質(zhì)膜的設(shè)定或預(yù)定區(qū)域中。然而，利用(或定位)金屬掩模來(lái)形成催化劑層需要大量的時(shí)間，所以金屬掩模會(huì)引起陰影效應(yīng)(shadow effect)，在陰影效應(yīng)中催化劑層沒(méi)有形成在催化劑層的上表面的邊緣部分上，因?yàn)橛捎诮饘傺谀５暮穸却呋瘎┍唤饘傺谀Ｕ诒巍?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)方面涉及改良的膜電極組件，其包括大量的催化劑且每單位體積具有聞能量。
[0009]在一個(gè)實(shí)施例中，用于燃料電池的膜電極組件包括第一基板、面對(duì)第一基板的第二基板以及第一基板和第二基板之間的催化劑層，該催化劑層具有大約0.5或更大的hi/ti比率，或者更具體地，Ii1A1比率為約0.5至約2，其中:Sl表示在催化劑層的一端處第一基板上的點(diǎn)，Ii1表不第一基板和第二基板之間的距離，S2表不在第一基板上最靠近S1的點(diǎn),在該點(diǎn)處催化劑層的高度(h)變?yōu)閔1; h表示S1和S2之間的距離。在一個(gè)實(shí)施例中，第一基板是聚合物電解質(zhì)膜，第二基板是電極基板。在另一個(gè)實(shí)施例中，第一基板是電極基板，第二基板是聚合物電解質(zhì)膜。
[0010]在一個(gè)實(shí)施例中，膜電極組件還包括襯墊,該襯墊圍繞催化劑層的外圍表面并用于密封第一基板和第二基板之間的催化劑層。襯墊可包括在襯墊的側(cè)面上的粘合層，通過(guò)該粘合層，該襯墊被固定到第一基板的某區(qū)域。
[0011]粘合層可包括從硅酮基樹(shù)脂、環(huán)氧基樹(shù)脂、丙烯基樹(shù)脂、聚酯一聚亞安酯聚合物兩組分樹(shù)脂及其的組合組成的組中選擇的樹(shù)脂。在一個(gè)實(shí)施例中，粘合層的厚度在約10至約50 μ m之間。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，電極基板和催化劑層成整體來(lái)作為陽(yáng)極或陰極。
[0013]本發(fā)明實(shí)施例的另一個(gè)方面涉及一種用于燃料電池的膜電極組件的制造方法。在一個(gè)實(shí)施例中，用于燃料電池的膜電極組件的制造方法包括:通過(guò)貼附襯墊的粘合層到基板的區(qū)域來(lái)將襯墊固定到基板上，該襯墊包括在其側(cè)面上的所述粘合層；以及通過(guò)利用襯墊作為掩模來(lái)在基板上形成催化劑層。
[0014]基板可以是聚合物電解質(zhì)膜或者電極基板。
[0015]在一個(gè)實(shí)施例中，襯墊的厚度在約100至約300μπι之間，和/或粘合層的厚度在約10至約50 μ m之間。
[0016]本發(fā)明實(shí)施例的另一個(gè)方面涉及一種燃料電池系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)具有膜電極組件的生電元件；燃料供應(yīng)器，用于供應(yīng)燃料到生電元件；和氧化劑供應(yīng)器，用于供應(yīng)氧化劑到生電元件，其中膜電極組件與前述膜電極組件相同或基本相同。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1A是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的膜電極組件的示意性截面圖；
[0018]圖1B是顯示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的膜電極組件的示意性截面圖；
[0019]圖2是顯示圖1A中示出的區(qū)域A的放大圖；
[0020]圖3是顯示利用掩模制造常規(guī)膜電極組件的方法的截面圖；
[0021]圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的膜電極組件的制造方法的截面圖；
[0022]圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0023]圖6是顯示圖5中示出的電池堆的結(jié)構(gòu)的分解透視圖；
[0024]圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)例I的膜電極組件的光學(xué)顯微圖；
[0025]圖8是根據(jù)對(duì)比例I的膜電極組件的光學(xué)顯微圖；
[0026]圖9是顯示由本發(fā)明實(shí)例I和對(duì)比例I得到的燃料電池的性能的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0027]在后文的詳細(xì)描述中，通過(guò)說(shuō)明的方式僅顯示和描述了本發(fā)明的特定示范性實(shí)施例。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，發(fā)明可以許多不同形式實(shí)施并且不應(yīng)被解釋為限于這里闡明的實(shí)施例。而且，在本申請(qǐng)的上下文中，當(dāng)一個(gè)元件被稱為在另一元件“上”時(shí)，它可以直接在其他元件上或可以間接地在其他元件上且二者之間存在中間元件。通篇說(shuō)明書(shū)相同的附圖標(biāo)記指示相同的元件。
[0028]圖1A和IB是示出根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例的膜電極組件的截面的示意圖。圖1A和IB的每個(gè)的截面圖示出沿著平行于形成有催化劑層的基板的一側(cè)的對(duì)稱軸截取基板。
[0029]通常，用于燃料電池的膜電極組件的制造方法有兩種。第一種方法包括首先在電極基板上涂敷催化劑層，接著將其與聚合物電解質(zhì)膜層疊以提供膜電極組件。第二種方法包括首先在聚合物電解質(zhì)膜的任一側(cè)(或表面)上形成催化劑層，接著將其與電極基板層疊以提供膜電極組件。第一種方法被稱為催化劑覆蓋基板(CCS, catalyst coatedsubstrate)法,第二種方法被稱為催化劑覆蓋膜(CCM, catalyst coated membrane)法。
[0030]同樣地，如果根據(jù)CCS法形成催化劑層，基底基板可以是電極基板；如果根據(jù)CCM法形成催化劑層，則基底基板(或基板)可以是聚合物電解質(zhì)膜。
[0031]圖1A顯示根據(jù)CCM法形成催化劑層的情況。換句話說(shuō)，圖1A顯示聚合物電解質(zhì)膜130被用作基底基板(或作為基板)的情況。
[0032]圖1B顯示根據(jù)CCS法形成催化劑層的情況。在此方法中，催化劑層形成在電極基板上。
[0033]參考圖1A，膜電極組件100包括陽(yáng)極110、陰極120以及在陽(yáng)極110和陰極120之間的聚合物電解質(zhì)膜130。
[0034]陽(yáng)極110包括通過(guò)氧化反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子的陽(yáng)極催化劑層111和用于支撐陽(yáng)極催化劑層111的陽(yáng)極基板112。陰極120包括陰極催化劑層121和用于支撐陰極催化劑層121的陰極基板122，陰極催化劑層121通過(guò)與質(zhì)子與氧化劑的還原反應(yīng)從而產(chǎn)生水及設(shè)定或預(yù)定溫度的熱。這里，聚合物電解質(zhì)膜130通過(guò)將陽(yáng)極110產(chǎn)生的質(zhì)子傳輸?shù)疥帢O120而被用作離子交換膜。
[0035]此外,膜電極組件100包括襯墊(gasket) 140a和140b,其圍繞陽(yáng)極催化劑層111和陰極催化劑層121的外圍表面(external circumferential surface)并用于密封陰極催化劑層121和陽(yáng)極催化劑層111。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，襯墊140a和140b的每個(gè)分別包括在它們的一個(gè)表面上的粘合層141a、141b。粘合層141a和141b用于將襯墊140a和140b貼附到聚合物電解質(zhì)膜130，并可以包括防水、耐熱和/或耐酸的材料。
[0036]在另一個(gè)實(shí)施例中，粘合層141a和141b包括能夠抵抗燃料電池工作期間產(chǎn)生的熱量的耐熱粘合劑。在一個(gè)實(shí)施例中，粘合層141a和141b能抵抗150至200°C之間的熱。
[0037]適當(dāng)?shù)恼澈蟿┑姆窍拗菩詫?shí)例包括選自娃酮基樹(shù)脂(silicone-based resin)、環(huán)氧基樹(shù)脂、丙烯基樹(shù)脂、聚酯一聚亞安酯(polyester-polyurethane)的兩組分聚合物樹(shù)脂及其的組合組成的組的樹(shù)脂。粘合層141a和141b的厚度為10至50 μ m，在另一個(gè)實(shí)施例中，它們的厚度為20至40 μ m,從而實(shí)現(xiàn)粘合和密封功能。
[0038]參考圖1B，由于催化劑層121’(例如，陰極催化劑層)形成在電極基板122’上(例如，陰極基板)，所以圖1B所示的空的空間150b’就形成了。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，由于包括粘合層141a和141b的襯墊140a和140b被用作掩模以形成催化劑層，所以膜電極組件100可以因?yàn)樵撗谀６档完幱靶?yīng)，在陰影效應(yīng)中催化劑層沒(méi)有形成在催化劑層的上表面的邊緣部分處。圖1A中的附圖標(biāo)記150a和150b代表空的空間，由于陰影效應(yīng)而沒(méi)有在其中形成催化劑層。
[0040]圖2為圖1A中所示的區(qū)域A的放大圖。當(dāng)指示相同的元件時(shí)，圖2使用與圖1相同的附圖標(biāo)記。參考圖2，點(diǎn)S1在基板240上催化劑層111的第一端230處；距離Ii1在聚合物電解質(zhì)膜130和陽(yáng)極基板112之間；h表示點(diǎn)s處催化劑層111的高度；s2表示在h等于Ii1的點(diǎn)s中最靠近點(diǎn)S1的點(diǎn)；以及&表示S1和S2之間的距離。
[0041]在一個(gè)實(shí)施例中，催化劑層的Ii1A1比率為0.5或更大。在另一個(gè)實(shí)施例中，Ii1A1比率為I或更大，或者更特別地，為1.5或更大。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)hl/tl比率為0.5或更大時(shí)，隨著在相同體積中存在的催化劑的量的增大，催化劑層的有效區(qū)域增大。Ii1A1比率越大，單位體積的能量密度越高。然而，難以提供V^t1比率大于2的催化劑層。
[0042]由于h值高度依賴電極的制造工藝，所以Ii1不應(yīng)被限制在特定范圍。也就是，因?yàn)橥ǔＴ诰酆衔镫娊赓|(zhì)膜燃料電池(PEMFC)的情況中，催化劑的涂敷量為0.2mg/cm2左右，而在直接甲醇氧化燃料電池(DMFC)的情況中，催化劑的涂敷量為4mg/cm2左右，所以定義聚合物電解質(zhì)和基板的絕對(duì)厚度是沒(méi)有意義的。 [0043]根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例，提供了膜電極組件的制造方法。該方法包括通過(guò)將襯墊的粘合層貼附到基板的特定區(qū)域而將在一個(gè)表面上具有粘合層的襯墊固定到基板上，以及通過(guò)利用襯墊作掩模從而在基板上形成催化劑層。
[0044]當(dāng)根據(jù)CCS (催化劑層形成在電極基板上)法形成催化劑層時(shí)，該基板可以是電極基板。當(dāng)根據(jù)CCM (催化劑層形成在聚合物電解質(zhì)膜上)法形成催化劑層時(shí)，該基板可以是聚合物電解質(zhì)膜。
[0045]圖3是顯示利用金屬掩模制造常規(guī)膜電極組件的方法的截面圖。參考圖3，通過(guò)利用金屬掩模320將聚合物電解質(zhì)膜330固定在橡膠磁板310上，用膠帶(tape)340a和340b固定聚合物電解質(zhì)膜330的邊緣，從而防止或減小聚合物電解質(zhì)膜330的收縮。通過(guò)諸如絲網(wǎng)印刷、噴涂或刮墨刀涂敷(doctor blade coating)的涂敷法，涂敷層形成在形成有金屬掩模320的聚合物電解質(zhì)膜330上，然后去除金屬掩模320。
[0046]在常規(guī)膜電極組件的制造方法的情況中，將聚合物電解質(zhì)膜330和金屬掩模320放置在橡膠磁板310上需要很長(zhǎng)時(shí)間，當(dāng)陽(yáng)極催化劑層形成在聚合物電解質(zhì)膜330的一個(gè)表面上時(shí)難以布置具有陽(yáng)極的聚合物電解質(zhì)膜330。然后，陰極催化劑層形成在聚合物電解質(zhì)膜330的另一表面上。此外，當(dāng)金屬掩模320和橡膠磁板310之間的磁力不夠時(shí)，聚合物電解質(zhì)膜330在催化劑層形成時(shí)會(huì)收縮。
[0047]為了保持金屬掩模320和橡膠磁板310之間的磁力在至少一定的或足夠的水平，金屬掩模320應(yīng)該具有至少一定水平的厚度。當(dāng)采用具有一定水平(或更大)的厚度的金屬掩模320時(shí)，會(huì)產(chǎn)生陰影效應(yīng)，其中在形成催化劑層時(shí)由于金屬掩模的遮蔽而使催化劑層不形成在催化劑層上表面的邊緣區(qū)域上。
[0048]圖4為顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的膜電極組件的制造方法的截面圖。當(dāng)圖4示出根據(jù)CCM法形成催化劑的情況時(shí)，本發(fā)明并不限于此，催化劑層可以根據(jù)CCS法形成。
[0049]參考圖4，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的膜電極組件的制造方法包括在真空板410上固定聚合物電解質(zhì)膜420，以及通過(guò)使襯墊430的粘合層貼附到聚合物電解質(zhì)膜420的特定區(qū)域從而將具有在一個(gè)表面上的粘合層的襯墊430固定到聚合物電解質(zhì)膜420上。當(dāng)利用襯墊430作掩模時(shí)，通過(guò)諸如絲網(wǎng)印刷、噴涂或刮墨刀涂敷的涂敷法將催化劑層形成在聚合物電解質(zhì)膜420上除了襯墊430貼附的區(qū)域。
[0050]當(dāng)包括粘合層的襯墊430在形成催化劑層時(shí)用作掩模時(shí)，因?yàn)橐r墊430的厚度小于金屬掩模，所以襯墊430可以減小陰影效應(yīng)，。同樣，甚至在形成催化劑層之后，襯墊430仍然保留，因此當(dāng)陽(yáng)極催化劑層形成在聚合物電解質(zhì)膜420的一個(gè)表面(或一側(cè))上時(shí)，確定陽(yáng)極圖案是不難的。然后，陰極催化劑層形成在相對(duì)的表面上。
[0051]在一個(gè)實(shí)施例中，具有粘合層的襯墊430的厚度在100至300 μ m之間；在另一個(gè)實(shí)施例中，厚度在150至200 μ m之間。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)襯墊430的厚度小于100 μ m時(shí)，形成電極的圖案是很成問(wèn)題的。在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)襯墊430的厚度大于300 μ m時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顯著的陰影效應(yīng)。相比較，圖3中，金屬掩模的厚度為約700 μ m。
[0052]此外，因?yàn)榫酆衔镫娊赓|(zhì)膜420被固定在真空板(vacuum plate)410上,所以能夠防止或減小在催化劑層形成時(shí)因用于催化劑層的合成物的溶劑揮發(fā)而導(dǎo)致的聚合物電解質(zhì)膜420的收縮。
[0053]粘合層將襯墊430貼附到聚合物電解質(zhì)膜420，它可以包括具有防水、耐熱和/或耐酸性的任意適當(dāng)?shù)牟牧?，從而達(dá)到充分密封。
[0054]用于粘合層的材料可以包括耐熱粘合劑，其能夠承受燃料電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱。在一個(gè)實(shí)施例中，該材料在150至200°C之間耐熱。
[0055]適當(dāng)?shù)恼澈蟿┑姆窍拗菩詫?shí)例包括選自娃酮基樹(shù)脂(silicone-based resin)、環(huán)氧基樹(shù)脂、丙烯基樹(shù)脂、聚酯一聚亞安酯(polyester-polyurethane)的兩組分聚合物樹(shù)脂及其的組合組成的組的樹(shù)脂。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，粘合層的厚度在10至50μπι之間，在另一個(gè)實(shí)施例中，粘合層的厚度在20至40 μ m之間從而實(shí)現(xiàn)附著和密封功能。
[0056]通過(guò)固化(curing)粘合層,包括粘合層的襯墊430能被固定到聚合物電解質(zhì)膜420。粘合層的固化取決于粘合層的材料。在另一個(gè)實(shí)施例中，粘合層被紫外線或X射線輻照，或者被加熱以使得其不影響聚合物電解質(zhì)膜420的物理性能。
[0057]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，燃料電池系統(tǒng)被設(shè)置為包括:生電元件，該生電元件包括這里所描述的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的膜電極組件；用于供應(yīng)燃料到生電元件的燃料供應(yīng)器；以及用于供應(yīng)氧化劑到生電元件的氧化劑供應(yīng)器。
[0058]圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖，圖6是顯示圖5中示出的電池堆510的結(jié)構(gòu)的分解透視圖。
[0059]參考圖5，燃料電池系統(tǒng)500采用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEM)形式，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEM)形式通過(guò)重整(或改性)包括氫的燃料來(lái)產(chǎn)生氫并且通過(guò)氫的氧化反應(yīng)及氧化劑的還原反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能。
[0060]在燃料電池系統(tǒng)500中，氧化劑可以包括存儲(chǔ)在獨(dú)立的存儲(chǔ)空間中的氧或者包括
氧的空氣。
[0061]燃料電池系統(tǒng)500還包括:生電元件511，其用于通過(guò)誘發(fā)來(lái)自重整器530的重整燃料(或重整氣)與氧化劑的氧化和還原反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能；燃料供應(yīng)器550，用于向重整器530供給燃料；重整器530，用于重整燃料以產(chǎn)生重整燃料(或富氫燃料)以及用于供應(yīng)氫(或重整燃料或富氫燃料)到生電元件511 ;以及氧化劑供應(yīng)器570，用于供應(yīng)氧化劑到重整器530和生電元件511。復(fù)數(shù)個(gè)(multiple)生電元件511被堆疊在一起以形成電池堆510。
[0062]當(dāng)燃料電池系統(tǒng)500工作時(shí)，由重整器產(chǎn)生的氫被供應(yīng)到電池堆510的生電元件511，氧化劑被供應(yīng)到生電元件511，電池堆通過(guò)氫的氧化反應(yīng)及氧化劑的還原反應(yīng)產(chǎn)生具有設(shè)定或預(yù)定輸出的電能、水和熱。
[0063]重整器530具有由包括氫的燃料產(chǎn)生富氫燃料并供應(yīng)富氫燃料到電池堆510的結(jié)構(gòu)。重整器530通過(guò)蒸汽重整(SR, steam reforming)、自熱重整(ATR, autothermalreforming)和/或部分氧化(POX, partial oxidation)由燃料產(chǎn)生富氫燃料,并且供應(yīng)富氫燃料到電池堆510。此外,重整器530可選地可以包括使燃料中的一氧化碳氧化的一氧化碳減少部(decreasing part)。
[0064]用于供應(yīng)燃料到重整器530的燃料供應(yīng)器550包括用于儲(chǔ)存燃料的燃料罐551和連接到燃料罐551并用于從燃料罐551釋放燃料的燃料泵553。
[0065]氧化劑供應(yīng)器570包括氧化劑泵571,其用于以一定的抽吸力(pumping force)來(lái)抽吸氧化劑并用于供應(yīng)氧化劑到電池堆510的每個(gè)生電元件511及重整器530。氧化劑供應(yīng)器570通過(guò)圖5所示的單個(gè)氧化劑泵571供應(yīng)氧化劑到電池堆510和重整器530，但并不限于此，其可以包括分別連接到電池堆510和重整器530的兩個(gè)氧化劑泵。
[0066]參考圖6,通過(guò)堆疊生電兀件511來(lái)設(shè)置電池堆510。生電兀件511形成燃料電池的單個(gè)單元，該燃料電池的單個(gè)單元具有在中心的膜電極組件512和在膜電極組件512兩個(gè)表面上的分隔體(也稱作雙極板)516。
[0067]下文的實(shí)施例將更詳細(xì)的說(shuō)明本發(fā)明。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā)明并不受這些實(shí)例的限制。
[0068]制造膜電極組件
[0069]實(shí)例I
[0070]125 μ m厚的NAF10N115膜?(由DuPont制造)在90°C下在3%過(guò)氧化氫溶液和0.5M硫酸水溶液中處理2小時(shí)，接著在100°C下在去離子水中清洗I小時(shí)以制備H +型NAFIONl15膜。所得到的膜被用作聚合物電解質(zhì)膜。
[0071]使用棒狀涂敷器將聚酯和聚亞安酯的兩組分樹(shù)脂粘合聚合物以2至3g/m2的量涂敷在襯墊的一個(gè)表面上并被干燥以提供包括10 μ m厚度的粘合層的襯墊。
[0072]襯墊與聚合物電解質(zhì)膜以這樣的方式接觸:襯墊的粘合層面對(duì)聚合物電解質(zhì)膜并且在60°C固化24小時(shí)從而將襯墊固定在聚合物電解質(zhì)膜上。襯墊的厚度為約150 μ m。
[0073]10gl0wt% NAF10N? (由 DuPont 制造)的水分散體(aqueous dispersion)被添加到在30ml異丙醇中的3.0g Pt/C (20wt%,由E_tek制造)中并且被機(jī)械攪動(dòng)從而提供用于催化劑層的合成物。
[0074]貼附有襯墊的聚合物電解質(zhì)膜被放置在真空板上，襯墊用作掩模。用于催化劑層的合成物通過(guò)噴射印刷被涂敷到聚合物電解質(zhì)膜的一個(gè)表面上，從而提供陰極催化劑層。用于形成陰極催化劑層的區(qū)域?yàn)?X5cm2，催化劑的裝載量為3mg/cm2。接著，根據(jù)與上述程序基本相同的工藝，陽(yáng)極催化劑層形成在聚合物電解質(zhì)膜的另一個(gè)表面上。
[0075]然后，具有形成有陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層的聚合物電解質(zhì)膜被放置在兩個(gè)電極基板之間，同時(shí)在135°C下以300psi對(duì)該聚合物電解質(zhì)膜和兩個(gè)電極基板施壓3分鐘以將電極基板與聚合物電解質(zhì)膜接合，從而提供膜電極組件。
[0076]比較例I
[0077]125 μ m厚的NAF10N115膜?(由DuPont制造)在90°C下在3%過(guò)氧化氫溶液和0.5M硫酸水溶液中處理2小時(shí)，接著在100 V下在去離子水中清洗I小時(shí)以制造H +型NAF10N115膜從而用作聚合物電解質(zhì)膜。
[0078]IOglOwt% NAFION (由 DuPont 制造)的水分散體(aqueous dispersion)被添加到在30ml異丙醇中的3.0g Pt/C (20wt%，由E_tek制造)中并且被機(jī)械攪動(dòng)從而提供用于催化劑層的合成物。
[0079]通過(guò)使用金屬掩模將聚合物電解質(zhì)膜固定在橡膠磁板上，聚合物電解質(zhì)膜的邊緣用膠帶粘貼。用于陰極催化劑層的合成物通過(guò)絲網(wǎng)印刷被涂敷在形成有金屬掩模的聚合物電解質(zhì)膜的一個(gè)表面上從而提供陰極催化劑層，接著金屬掩模被去除。用于形成陰極催化劑層的區(qū)域是5X5cm2，催化劑裝載量為3mg/cm2。此后，根據(jù)與上述程序基本相同的工藝，陽(yáng)極催化劑層形成在聚合物電解質(zhì)膜的另一個(gè)表面上。
[0080]襯墊被放在金屬掩模所處的催化劑層的外圍表面上。此后，形成有陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層的聚合物電解質(zhì)膜被放置在兩個(gè)電極基板之間，通過(guò)使用壓塑模型(compression molder),在135°C下以300psi對(duì)該聚合物電解質(zhì)膜和兩個(gè)電極基板施壓3分鐘以將電極基板與聚合物電解質(zhì)膜接合，從而提供膜電極組件。
[0081]觀測(cè)光學(xué)顯微鏡
[0082]用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)聚合物電解質(zhì)膜的截面表面，截面表面是沿著平行于膜電極組件的一側(cè)的對(duì)稱軸關(guān)于聚合物電解質(zhì)膜在垂直方向上截取的，該膜電極組件由實(shí)例I得到并包括形成有催化劑層的聚合物電解質(zhì)膜，圖7中示出觀測(cè)結(jié)果。此外，用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)聚合物電解質(zhì)膜的截面，該截面是沿著平行于膜電極組件的一側(cè)的對(duì)稱軸關(guān)于聚合物電解質(zhì)膜在垂直方向上截取的，該膜電極組件由比較例I得到并包括形成有催化劑層的聚合物電解質(zhì)膜，圖8中示出觀測(cè)結(jié)果。
[0083]參考圖2和7，實(shí)例I的膜電極組件的催化劑層高度(Ii1)(或聚合物電解質(zhì)膜與基板之間的距離)為約16 4!11，距離(丨1)為約10 μ m。參考圖2和8，不同地，比較例I的膜電極組件的高度(Ii1)為約16 μ m,距離U1)為約50 μ m。換句話說(shuō)，顯而易見(jiàn)的是,在實(shí)例I中，Vt1的比率為約1.6，在比較例I中，Ii1A1的比率為約0.32。
[0084]燃料電池性能測(cè)量
[0085]對(duì)由實(shí)例I和比較例I得到的燃料電池進(jìn)行測(cè)量以確定基于電流密度的電壓特性，圖9中示出了測(cè)試結(jié)果。
[0086]如圖9所示，可以確定實(shí)例I的燃料電池的性能好于比較例I的燃料電池。這個(gè)結(jié)果是制備膜電極組件時(shí)在實(shí)例I的燃料電池中使用粘性襯墊帶來(lái)的。襯墊有助于在形成催化劑層時(shí)減小陰影效應(yīng)，因此能使燃料電池在單位體積中具有增加的能量。
[0087]雖然參考特定示范性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是本發(fā)明不限于公開(kāi)的實(shí)施例，而是，相反，本發(fā)明旨在覆蓋包括在權(quán)利要求及其等價(jià)物的精神和范圍內(nèi)的不同變形和等價(jià)布置。
【權(quán)利要求】
1.一種用于燃料電池的膜電極組件，包括: 第一基板； 第二基板，面對(duì)所述第一基板； 催化劑層，在所述第一基板和所述第二基板之間并具有0.5或更大的hi/ti比率；以及襯墊，圍繞所述催化劑層的外圍表面并用于密封所述第一基板和所述第二基板之間的所述催化劑層， 其中: S1表不在所述催化劑層的一端處所述第一基板上的點(diǎn)； Ii1表示所述第一基板和所述第二基板之間的距離； S2表示在所述第一基板上的最靠近所述S1的點(diǎn)，在該點(diǎn)處所述催化劑層的高度變?yōu)镵 ;以及 表示所述S1和所述S2之間的距離，并且其中所述第一基板是聚合物電解質(zhì)膜，所述第二基板是電極基板，或者所述第一基板是電極基板，所述第二基板是所述聚合物電解質(zhì)膜，且其中所述襯墊的厚度在100至300 μ m之間， 其中所述Vt1比率在0.5至2之間。
2.如權(quán)利要求1所述的膜電極組件，其中所述襯墊包括在所述襯墊的側(cè)面上的粘合層，并且所述襯墊通過(guò)所述粘合層被固定到所述第一基板的區(qū)域。
3.如權(quán)利要求2所述的膜電極組件，其中所述粘合層包括從硅酮基樹(shù)脂、環(huán)氧基樹(shù)脂、丙烯基樹(shù)脂、聚酯一聚亞安酯的兩組分樹(shù)脂及其組合組成的組中選擇的樹(shù)脂。
4.如權(quán)利要求3所述的膜電極組件，其中所述粘合層的厚度在10至50μπι之間。
5.如權(quán)利要求1所述的膜電極組件，其中所述電極基板和所述催化劑層成整體來(lái)作為陽(yáng)極或陰極。
6.一種用于燃料電池的膜電極組件的制造方法，該方法包括: 通過(guò)貼附襯墊的粘合層到基板的區(qū)域來(lái)將所述襯墊固定到所述基板上，所述襯墊包括在所述襯墊的側(cè)面上的所述粘合層；以及 通過(guò)利用所述襯墊作為掩模而在所述基板上形成催化劑層， 其中所述襯墊的厚度在100至300 μ m之間。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述基板是聚合物電解質(zhì)膜。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述基板是電極基板。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述粘合層的厚度在10至50μ m之間。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述粘合層包括從硅酮基樹(shù)脂、環(huán)氧基樹(shù)脂、丙烯基樹(shù)脂、聚酯一聚亞安酯的兩組分樹(shù)脂及其組合組成的組中選擇的樹(shù)脂。
11.一種燃料電池系統(tǒng)，包括: 至少一個(gè)生電元件，包括膜電極組件； 燃料供應(yīng)器，用于供應(yīng)燃料到所述生電元件；以及 氧化劑供應(yīng)器，用于供應(yīng)氧化劑到所述生電元件， 其中所述膜電極組件，包括: 陽(yáng)極；陰極； 聚合物電解質(zhì)膜，在所述陽(yáng)極和所述陰極之間， 所述陽(yáng)極和所述陰極的每個(gè)均包括電極基板和催化劑層，并且所述催化劑層在所述電極基板和所述聚合物電解質(zhì)膜之間并且h/ti比率為約0.5或更大， 其中: S1表不在所述催化劑層的一端處第一基板上的點(diǎn)； h1表示所述第一基板和第二基板之間的距離； S2表示在所述第一基板上的最靠近所述S1的點(diǎn)，在該點(diǎn)處所述催化劑層的高度變?yōu)樗觥?；以? 表示所述S1和所述S2之間的距離，并且其中所述第一基板是聚合物電解質(zhì)膜，所述第二基板是電極基板，或者所述第一基板是電極基板，所述第二基板是所述聚合物電解質(zhì)膜， 其中所述膜電極組件還包括襯墊，該襯墊圍繞所述催化劑層的外圍表面并用于密封所述電極基板和所述聚合物電解質(zhì)膜之間的所述催化劑層，且其中所述襯墊的厚度在100至300 μ m之間。
12.如權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述Ii1A1比率在0.5至2之間。
13.如權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述襯墊具有粘合層，該粘合層在所述襯墊的側(cè)面上，所述襯墊通過(guò)所述粘合層被固定到所述第一基板的區(qū)域。
14.如權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述粘合層包括從硅酮基樹(shù)脂、環(huán)氧基樹(shù)脂、丙烯基樹(shù)脂、聚酯一聚亞安酯的兩組分樹(shù)脂及其組合組成的組中選擇的樹(shù)脂。
15.如權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述粘合層的厚度在10至50μ m之間。
【文檔編號(hào)】H01M8/02GK103560260SQ201310593912
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2009年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2008年5月13日
【發(fā)明者】李翰奎, 權(quán)鎬真, 宋佳映 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社