燃料電池部件的同時(shí)涂覆的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了將多個(gè)燃料電池部件涂層同時(shí)施加到基材上的方法。所述方法包括提供基材，和在層流下將兩種或更多種溶液同時(shí)涂覆到所述基材上。
【專(zhuān)利說(shuō)明】燃料電池部件的同時(shí)涂覆

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文記述的實(shí)施方案一般涉及涂覆燃料電池部件的方法，和更具體地，其涉及將多個(gè)燃料電池部件涂層同時(shí)施加在基材上的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池，一般被稱(chēng)為燃料電池，通過(guò)處理反應(yīng)物，例如，通過(guò)氫和氧的氧化和還原，產(chǎn)生電能。在一些燃料電池系統(tǒng)中，氫或富氫氣體被作為反應(yīng)物通過(guò)流路提供到燃料電池的陽(yáng)極側(cè)，而氧(如以大氣氧的形式)被作為反應(yīng)物通過(guò)分離的流路提供到燃料電池的陰極側(cè)。所述陽(yáng)極和陰極促進(jìn)所述反應(yīng)物電化學(xué)轉(zhuǎn)化成電子和帶正電荷的離子(對(duì)于氫)和帶負(fù)電荷的離子(對(duì)于氧)。電解質(zhì)層使陽(yáng)極與陰極分離以提供離子從陽(yáng)極至陰極的選擇性通過(guò)，而同時(shí)禁止產(chǎn)生的電子的通過(guò)。產(chǎn)生的電子被迫流經(jīng)外部導(dǎo)電電路(如，負(fù)載)以作有用功然后在陰極上與所述帶電離子重組。帶正電荷和帶負(fù)電荷的離子在陰極上的結(jié)合導(dǎo)致產(chǎn)生作為反應(yīng)的副產(chǎn)物的無(wú)污染的水。
[0003]聚合物電解質(zhì)燃料電池可以包括在兩側(cè)上都具有催化劑電極層的聚合物膜(例如，質(zhì)子交換膜(PEM))。催化劑涂覆的PEM可以位于一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM)之間，且陰極和陽(yáng)極板被放置在氣體擴(kuò)散介質(zhì)層的外側(cè)。在制造膜電極組件過(guò)程中，可將催化劑電極層依次涂覆在膜載體的每一側(cè)上。即，所述層是采用部分或完全干燥一個(gè)層之后再將下一層施加到膜支撐上的順序涂覆操作形成的。
[0004]或者，可以使用催化劑涂覆的擴(kuò)散介質(zhì)層，其中所述催化劑被涂覆在氣體擴(kuò)散介質(zhì)上。在制造催化劑-涂覆的擴(kuò)散介質(zhì)的過(guò)程中，可以將催化劑電極層和離聚物層依次涂覆在基材的一側(cè)上。類(lèi)似于制造聚合物電解質(zhì)燃料電池，使用包括部分或完全干燥一個(gè)層之后再將下一層施加到膜載體上的順序涂覆操作形成所述層。
[0005]所述制造方法是復(fù)雜的、耗時(shí)的和昂貴的。其中包括許多層，可能有相當(dāng)多的涂覆和干燥設(shè)備重復(fù)。在某些情況下，當(dāng)其中在每次涂覆層之間沒(méi)有干燥步驟地涂覆層時(shí)，可能發(fā)生層和/或分散或溶解在其中的關(guān)鍵成分的混合。此外，會(huì)產(chǎn)生具有可變的層厚度的非均勻的層。
[0006]因此，本文公開(kāi)了替代燃料電池、膜電極組件和制造膜電極組件的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本文公開(kāi)的實(shí)施方案為將多個(gè)燃料電池部件涂層同時(shí)施加在基材上的方法。所述方法包括提供基材，并在層流下將兩種或更多種溶液同時(shí)涂覆到所述基材上，使得非多孔層溶液被同時(shí)涂覆在第一多孔層溶液上，其中所述第一多孔層溶液包含電極墨水而所述非多孔層溶液包含膜溶液。
[0008]本文還公開(kāi)的實(shí)施方案為將多個(gè)燃料電池部件涂層同時(shí)施加在基材上的方法。所述方法包括提供基材，和在層流下將三種或更多種溶液同時(shí)涂覆到所述基材上，使得非多孔層溶液被同時(shí)涂覆在第一多孔層溶液上，其中所述第一多孔層溶液包含電極墨水而所述非多孔層溶液包含膜溶液。
[0009]本文還公開(kāi)的實(shí)施方案為制造膜電極組件的方法。所述方法包括將兩種或更多種溶液同時(shí)涂覆到第一基材上以形成陰極基材，其中在層流下進(jìn)行所述涂覆，使得膜溶液被同時(shí)涂覆在陰極溶液上，將兩種或更多種溶液同時(shí)涂覆到第二基材上以形成陽(yáng)極基材，其中在層流下進(jìn)行所述涂覆，使得膜溶液被同時(shí)涂覆在陽(yáng)極溶液上，和將所述陰極基材熱壓到所述陽(yáng)極基材，使得陰極和陽(yáng)極在所述膜的相對(duì)側(cè)。
[0010]具體地，本發(fā)明涉及以下方面:
1.一種將多個(gè)燃料電池部件涂層同時(shí)施加在基材上的方法，所述方法包括:
提供基材；和
在層流下將兩種或更多種溶液同時(shí)涂覆到所述基材上，使得非多孔層溶液被同時(shí)涂覆在第一多孔層溶液上；
其中所述第一多孔層溶液包含電極墨水而所述非多孔層溶液包含膜溶液。
[0011]2.根據(jù)方面I所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括將多孔增強(qiáng)層施加在所述非多孔層溶液上。
[0012]3.根據(jù)方面I所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括干燥所述第一多孔層溶液和所述非多孔層溶液以形成第一多孔層和非多孔層。
[0013]4.根據(jù)方面2所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括干燥所述第一多孔層溶液、所述非多孔層溶液和所述多孔增強(qiáng)層以形成在所述基材上的第一多孔層、在所述第一多孔層上的非多孔層和在所述非多孔層上的所述多孔增強(qiáng)層。
[0014]5.根據(jù)方面I所述的方法，其中使用狹縫模具涂布工藝、斜板涂布工藝、幕涂工藝或輥式涂布工藝或其組合同時(shí)涂覆所述兩種或更多種溶液。
[0015]6.根據(jù)方面I所述的方法，其中所述基材為氣體擴(kuò)散介質(zhì)。
[0016]7.根據(jù)方面I所述的方法，其中所述電極墨水包含一種或多種溶劑、離聚物和催化劑。
[0017]8.根據(jù)方面I所述的方法，其中所述膜溶液包含一種或多種溶劑和離聚物。
[0018]9.根據(jù)方面I所述的方法，其中所述層流具有小于約50的雷諾數(shù)。
[0019]10.一種將多個(gè)燃料電池部件涂層同時(shí)施加在基材上的方法，所述方法包括:
提供基材；和
在層流下將三種或更多種溶液同時(shí)涂覆到所述基材上，使得非多孔層溶液被同時(shí)涂覆在第一多孔層溶液上；
其中所述第一多孔層溶液包含電極墨水而所述非多孔層溶液包含膜溶液。
[0020]11.根據(jù)方面10所述的方法，其中將所述第一多孔層溶液同時(shí)涂覆在微孔層溶液上，并將所述微孔層同時(shí)涂覆在所述基材上。
[0021]12.根據(jù)方面10所述的方法，其中所述微孔層溶液包含:
a.溶劑，其包括有機(jī)溶劑、水或其混合物；
b.碳顆粒；和
c.疏水性聚合物，其包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、氟化乙丙烯或其組合。
[0022]13.根據(jù)方面11所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括干燥所述微孔層溶液、所述第一多孔層溶液和所述非多孔層溶液以形成微孔層、第一多孔層和非多孔層。
[0023]14.根據(jù)方面10所述的方法，其中將第二多孔層溶液同時(shí)涂覆在所述非多孔層溶液上，且其中所述第二多孔層溶液包含電極墨水。
[0024]15.根據(jù)方面14所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括干燥所述第一多孔層溶液、所述非多孔層溶液和所述第二多孔層溶液以形成第一多孔層、非多孔層和第二多孔層。
[0025]16.根據(jù)方面10所述的方法，其中所述基材為氣體擴(kuò)散介質(zhì)。
[0026]17.根據(jù)方面10所述的方法，其中所述層流具有小于約50的雷諾數(shù)。
[0027]18.一種制造膜電極組件的方法，所述方法包括:
將兩種或更多種溶液同時(shí)涂覆到第一基材上以形成陰極基材，其中在層流下進(jìn)行所述涂覆，使得膜溶液被同時(shí)涂覆在陰極溶液上；
將兩種或更多種溶液同時(shí)涂覆到第二基材上以形成陽(yáng)極基材，其中在層流下進(jìn)行所述涂覆，使得膜溶液被同時(shí)涂覆在陽(yáng)極溶液上；和
將所述陰極基材熱壓到所述陽(yáng)極基材，使得陰極和陽(yáng)極在所述膜的相對(duì)的兩側(cè)。
[0028]19.根據(jù)方面18所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括干燥所述陰極基材和所述陽(yáng)極基材。
[0029]20.根據(jù)方面18所述的方法，其中所述層流具有小于約50的雷諾數(shù)。
[0030]本文記述的燃料電池、膜電極組件和制造膜電極組件的方法的實(shí)施方案的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的詳細(xì)說(shuō)明中闡述，并且由該說(shuō)明對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)它們將在某種程度上變得顯而易見(jiàn)或通過(guò)實(shí)施本文(包括下面的詳細(xì)說(shuō)明、權(quán)利要求書(shū)和附圖)記述的實(shí)施方案而認(rèn)識(shí)到。
[0031]前述一般說(shuō)明和以下詳細(xì)說(shuō)明都記述了各種實(shí)施方案并意在為理解要求保護(hù)的主題的性質(zhì)和特性提供概述或框架。附圖用于提供對(duì)各種實(shí)施方案的進(jìn)一步理解，并且被結(jié)合到和構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分?！緦?zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】了本文記述的各種實(shí)施方案，并與說(shuō)明書(shū)一起用來(lái)解釋要求保護(hù)的主題的原理和操作。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1描繪了根據(jù)本文顯示和/或記述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的燃料電池部件的示例性2-層同時(shí)涂覆方法。
[0033]圖2描繪了根據(jù)圖1的方法形成的示例性2-層燃料電池部件的截面圖。
[0034]圖3描繪了根據(jù)本文顯示和/或記述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的燃料電池部件的示例性3-層同時(shí)涂覆方法。
[0035]圖4描繪了根據(jù)圖3的方法形成的另一示例性3-層燃料電池部件的截面圖。
[0036]圖5描繪了根據(jù)本文顯示和/或記述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的燃料電池部件的示例性3-層同時(shí)涂覆方法。
[0037]圖6描繪了根據(jù)圖5的方法形成的另一示例性3-層燃料電池部件的截面圖。
[0038]圖7描繪了根據(jù)本文顯示和/或記述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的燃料電池部件的示例性2-層同時(shí)涂覆方法。
[0039]圖8描繪了根據(jù)圖7的方法形成的示例性2-層燃料電池部件的截面圖。
[0040]圖9描繪了 2-層膜陰極橫截面的掃描電子顯微照片。
[0041]圖10描繪了 2-層膜陽(yáng)極橫截面的掃描電子顯微照片。
[0042]圖11描繪了對(duì)比根據(jù)本文顯示和/或記述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案形成的燃料電池的性能的圖表。
[0043]圖12描繪了 3-層微孔層、膜和陰極橫截面的掃描電子顯微照片。
[0044]圖13描繪了對(duì)比根據(jù)本文顯示和/或記述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案形成的燃料電池的性能的圖表。
[0045]圖14描繪了 3-層陽(yáng)極、膜和陰極橫截面的掃描電子顯微照片。
[0046]圖15描繪了 2-層膜和陰極橫截面的掃描電子顯微照片。
[0047]圖16描繪了 2-層膜和陽(yáng)極橫截面的掃描電子顯微照片。

【具體實(shí)施方式】
[0048]下面將詳細(xì)參照同時(shí)涂覆燃料電池部件以形成膜電極組件和子組件的方法的實(shí)施方案，其實(shí)例顯示在附圖中。在整個(gè)附圖中將盡可能使用同一附圖標(biāo)記來(lái)表示相同或類(lèi)似的部分。
[0049]為了描述和定義本發(fā)明，注意本文使用術(shù)語(yǔ)“基本上”來(lái)表示固有的不確定性程度，其可以歸因于任何數(shù)量比較、值、測(cè)量或其他表征。本文也使用術(shù)語(yǔ)“基本上”來(lái)表示數(shù)量表征可以偏離所述的參照，而不會(huì)導(dǎo)致討論的主題的基本功能發(fā)生改變的程度。
[0050]本文公開(kāi)了將多個(gè)燃料電池部件涂層同時(shí)施加在基材上的方法。所述方法可用來(lái)提供成本、性能、耐久性和制造效率中的一個(gè)或多個(gè)的工藝改進(jìn)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，同時(shí)涂覆兩個(gè)或更多個(gè)部件可以通過(guò)減少穿過(guò)涂覆機(jī)的次數(shù)來(lái)提高制造效率并降低制造成本。此外，可以降低部件成本。使用部件溶液，例如膜離聚物溶液，通常比購(gòu)買(mǎi)部件零件(例如，自立的膜)更便宜。由于更少地通過(guò)涂覆機(jī)可以減少額外的工藝缺陷的可能性，和降低的啟動(dòng)/關(guān)閉損耗，所以還可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)率提高。當(dāng)同時(shí)將所述層直接施加到所述涂層基材上導(dǎo)致在所述層之間更親密和緊密結(jié)合的界面時(shí)，也可以有耐久性和/或性能的改進(jìn)。最終，同時(shí)涂覆功能層可以有成本優(yōu)勢(shì)，其可以導(dǎo)致降低的為滿足性能要求所需的原材料的量。
[0051]如下面將更詳細(xì)地記述的，所述方法通常包括提供基材，和將兩種或更多種溶液同時(shí)涂覆到所述基材上。本文使用的“溶液”表示真溶液、分散體和/或乳液。
[0052]有許多可以同時(shí)沉積在基材上的可能的溶液的組合。一些例子，包括，但不限于:被同時(shí)涂覆在電極墨水(或第一多孔層溶液)上的膜(非多孔層)溶液；被同時(shí)涂覆在微孔層溶液上的電極墨水(或第一多孔層溶液)和被同時(shí)涂覆在所述電極墨水上的膜上的膜溶液；以及被同時(shí)涂覆在電極墨水(或第一多孔層溶液)上的膜(非多孔層)溶液和被同時(shí)涂覆在所述膜溶液上的第二電極墨水(第二多孔層溶液)。當(dāng)然，從所述教導(dǎo)下，同時(shí)沉積溶液的其他組合對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，并可以包括，例如，使用本文記述的同時(shí)涂覆方法的數(shù)層電極、膜或微孔層。
[0053]參照?qǐng)D1，描繪了在層流下將兩個(gè)涂層同時(shí)施加到基材的示例性方法(100)。在基材(105)的表面上，使用涂覆模具(130)同時(shí)施加非多孔層溶液(115)與第一多孔層溶液
(110)。施加所述涂層溶液，使得所述非多孔層溶液被同時(shí)涂覆在所述第一多孔層溶液上。在施加所述涂層溶液之后，所述基材被顯示穿過(guò)干燥器(135)或一系列干燥器以通過(guò)溶劑去除來(lái)干燥所述涂層溶液，從而形成涂覆的基材(140)。在所述基材穿過(guò)干燥器之前，可以任選地將多孔增強(qiáng)層(133)施加到所述非多孔層溶液上來(lái)為產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)提供額外的支撐。適合的多孔增強(qiáng)層的例子可以包括，但不限于，聚合物膜、金屬絲網(wǎng)、織物或其組合。適合的聚合物膜的例子可以包括聚四氟乙烯(PTFE)、膨體聚四氟乙烯(ePTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)或氟化乙丙烯(FEP)。
[0054]如在圖2中進(jìn)一步顯示的，通過(guò)圖1的示例性方法形成的涂覆的基材包含基材
(105)、形成在該基材上的第一多孔層(210)和形成在所述第一多孔層(210)上的非多孔層(215)。如上所述，可以將任選的增強(qiáng)層(233)施加到非多孔層(215)。
[0055]在一些實(shí)施例中，同時(shí)施加膜溶液與陰極溶液。在其他實(shí)施例中，同時(shí)施加膜溶液與陽(yáng)極溶液。在形成膜電極組件(MEA)中，可以干燥所述陰極部分和陽(yáng)極部分然后將它們熱壓/層壓在一起而形成MEA。對(duì)于不同類(lèi)型的MEA，所述熱壓/層壓的壓力和時(shí)間可以改變。在被熱壓/層壓之前，可以將額外的層(例如，ePTFE、子墊圈等)放置在所述陽(yáng)極和陰極之間。
[0056]參照?qǐng)D3，描繪了另一示例性方法(300)。在該實(shí)施例中，方法(300)被顯示在層流下將三個(gè)涂層同時(shí)施加到基材。在基材(305 )的表面上，使用涂覆模具(330 )同時(shí)施加微孔層溶液(320)、第一多孔層溶液(310)和非多孔層溶液(315)。施加所述涂層溶液，使得所述第一多孔層溶液被同時(shí)涂覆在微孔層溶液上而所述非多孔層溶液被同時(shí)涂覆在所述第一多孔層溶液上。在施加所述涂層溶液之后，所述基材被顯示穿過(guò)干燥器(335)或一系列干燥器以通過(guò)溶劑去除來(lái)干燥所述涂層溶液，從而形成涂覆的基材(340 )。雖然沒(méi)有描繪，但可以在所述基材穿過(guò)所述干燥器之前，添加任選的增強(qiáng)層來(lái)為所述基材提供額外的支撐。如在圖4中進(jìn)一步顯示的，所述涂覆的基材包括基材(305)、形成在其上的微孔層(420)、形成在所述微孔層(420)上的第一多孔層(410)和形成在所述第一多孔層(410)上的非多孔層(415)。
[0057]在一些實(shí)施例中，將陰極溶液、微孔溶液和膜溶液同時(shí)施加到基材上。在其他實(shí)施例中，將陽(yáng)極溶液、微孔溶液和膜溶液同時(shí)施加到基材上。在形成膜電極組件(MEA)中，所述陰極部分和所述陽(yáng)極部分可以被干燥然后被熱壓/層壓在一起而形成MEA。
[0058]參照?qǐng)D5，描繪了另一示例性方法(500)。在該實(shí)施例中，方法(500)被顯示在層流下將三個(gè)涂層同時(shí)施加到基材。在基材(505)的表面上，使用涂覆模具(530)同時(shí)施加第一多孔層溶液(510)、非多孔層溶液(515)和第二多孔層(525)。施加所述涂覆溶液，使得所述非多孔層溶液被同時(shí)涂覆在所述第一多孔層溶液上，而第二多孔層溶液被同時(shí)涂覆在所述非多孔層溶液上。在施加所述涂層溶液之后，所述基材被顯示穿過(guò)干燥器(535)或一系列干燥器以通過(guò)溶劑去除來(lái)干燥所述涂層溶液，從而形成涂覆的基材(540)。如在圖6中進(jìn)一步顯示的，所述涂覆的基材包含基材(505)、形成在其上的第一多孔層(610)、形成在所述第一多孔層(610)上的非多孔層(615)和形成在所述非多孔層(615)上的第二多孔層(625)。
[0059]在一些實(shí)施方案中，將陰極溶液、膜溶液和陽(yáng)極溶液同時(shí)涂覆到基材上。例如，可以同時(shí)施加三個(gè)涂層，使得所述陰極(或陽(yáng)極)溶液在所述基材上，所述膜溶液在所述陰極(或陽(yáng)極)溶液上，而所述陽(yáng)極(或陰極)溶液在所述膜溶液上。為了形成MEA，第二基材(例如，氣體擴(kuò)散介質(zhì))可以被附加到所述三層結(jié)構(gòu)的頂層，并與所述第一基材相對(duì)。在該實(shí)施例中，第二基材可以被附加到所述陽(yáng)極(或陰極)層以形成MEA。
[0060]參照?qǐng)D7，描繪了另一示例性方法(700)。在該實(shí)施例中，方法(700)被顯示在層流下將兩個(gè)涂層同時(shí)施加到貼花(decal)基材。所述貼花基材是一種化學(xué)穩(wěn)定、平坦、光滑非多孔的基材，其上可以施加涂層，但這種涂層隨后在方法中的后續(xù)步驟中被從所述貼花基材上去除。貼花基材不用于形成膜電極組件。在所述貼花基材(705)的表面上，使用涂覆模具(730)同時(shí)施加第一多孔層溶液(710)和非多孔層溶液(715)。施加所述涂層溶液，使得所述非多孔層溶液(715)被同時(shí)涂覆在所述第一多孔層溶液(710)上?？梢蕴砑尤芜x的增強(qiáng)層(733)以在所述基材穿過(guò)干燥器之前為所述結(jié)構(gòu)提供額外的支撐。在施加所述涂層溶液之后，涂覆的層(710，715)被顯示穿過(guò)固化/干燥(735)區(qū)以去除包含在所述層中的部分或全部溶劑而形成涂覆的基材(740)。然后，將層壓板(745)與基材(705)分離，所述層壓板為所述涂覆的層(710、715和任選地733)。在一些實(shí)施例中，通過(guò)剝離將層壓板(745)與基材(705)分離。任選地，然后可以使層壓板(745)穿過(guò)干燥器(750)或一系列干燥器以通過(guò)完全溶劑去除來(lái)干燥所述層壓板。如在圖8中進(jìn)一步顯示的，層壓板(745)包括第一多孔層(810)、形成在所述第一多孔層(810)上的非多孔層(815)和形成在所述非多孔層(815)上的任選的增強(qiáng)層(833)。在本文的教導(dǎo)下，其他處理步驟對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的。僅作為舉例，描繪的方法可以以多孔和非多孔層的不同組合將兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)等或更多層同時(shí)涂覆在基材或貼花基材上。
[0061]在一些實(shí)施例中，膜溶液和陰極溶液被同時(shí)涂覆到所述貼花基材上，然后被干燥以形成陰極部分。在其他實(shí)施例中，膜溶液和陽(yáng)極溶液被同時(shí)涂覆到所述貼花基材上，然后被干燥以形成陽(yáng)極部分。在形成膜電極組件(MEA)中，所述陰極部分和所述陽(yáng)極部分可以被熱壓在一起以形成MEA。在熱壓之后，可以從所述電極上剝離所述貼花，且可以將氣體擴(kuò)散介質(zhì)放置在所述陽(yáng)極和陰極兩者上以形成復(fù)合組件。任選地，可以根據(jù)需要施加子墊圈。
[0062]在一些實(shí)施例中，可以在所述第一多孔層上形成非多孔層之前，將所述第一多孔層和粘性離聚物層(未顯示)同時(shí)沉積在所述基材或所述微孔層上。因?yàn)樗龅谝欢嗫讓雍退龇嵌嗫讓佣及x聚物，粘性離聚物層可以在所述第一多孔層和所述非多孔層之間提供更好的接觸和/或附著。不受理論限制，據(jù)信所述粘性離聚物層可以降低所述第一多孔層和所述非多孔層之間的接觸電阻，并增加所述第一多孔層和所述非多孔層之間的質(zhì)子交換。其全部都可以提高燃料電池性能。在一個(gè)實(shí)施例中，所述離聚物層為離聚物和甲醇的混合物；不過(guò)，其他離聚物溶液可以是同樣適合的。所述離聚物層可以在所述第一和第二多孔層和所述非多孔層之間提供良好的離聚物接觸。
[0063]本文公開(kāi)的同時(shí)涂覆方法可以用來(lái)形成如上所述的膜電極組件(MEA)?？梢詫⒏鶕?jù)本文記述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案形成的MEA夾在兩個(gè)雙極板(BPP)之間以形成燃料電池。本【技術(shù)領(lǐng)域】使用的術(shù)語(yǔ)雙極板，也包括單極板。所述板可以是導(dǎo)電的，并且，在一些實(shí)施例中，可以由碳復(fù)合材料、金屬或鍍層金屬材料制成。在一些實(shí)施方案中，燃料電池堆包括許多與雙極板交替堆疊的MEA。在一些實(shí)施方案中，所述燃料電池堆可以具有至少約1000小時(shí)、至少約1500小時(shí)或至少約2000小時(shí)的堆耐久性。在其他實(shí)施方案中，所述燃料電池堆可以具有低于約7000小時(shí)、6000小時(shí)或5000小時(shí)的堆耐久性。
[0064]可以使用狹縫模具涂布工藝、斜板涂布工藝、幕涂工藝或其組合同時(shí)施加所述涂層溶液。在狹縫模具涂布工藝中，可以使用具有兩個(gè)或更多個(gè)狹縫的涂覆模具以使不同的涂層溶液穿過(guò)每個(gè)狹縫。在斜板涂布工藝中，使用斜板涂布模具同時(shí)施加兩種或更多種涂層溶液。斜板涂布模具形成兩個(gè)或更多個(gè)液體層復(fù)合物(即，一層在另一層之上)，其流下涂覆模具斜板表面，越過(guò)涂覆模具唇表面并流到所述基材上。在幕涂工藝中，液體從狹縫中流出，并在重力下下落(稱(chēng)為簾幕)到水平移動(dòng)的基材上。類(lèi)似于斜板涂布工藝，簾幕可以是兩個(gè)或更多個(gè)液體層復(fù)合物。干燥器或一系列干燥器可以包括紅外線干燥器、熱空氣干燥器或其他適用于干燥多個(gè)涂層溶液層的干燥器。
[0065]已經(jīng)出人意料地發(fā)現(xiàn)，在使用本文公開(kāi)的方法中，可以將兩種或更多種溶液同時(shí)施加到基材，同時(shí)在沉積和干燥之后仍然保持涂層之間的明顯的層關(guān)系。此外，已經(jīng)出人意料地發(fā)現(xiàn)，在將包含溶劑和小的固體顆粒的兩種或更多種溶液同時(shí)涂覆到基材上時(shí)，可以同時(shí)施加兩個(gè)或更多個(gè)涂層溶液層，而在所述層的界面上沒(méi)有明顯的混合或污染。例如，在將非多孔層同時(shí)涂覆在多孔層之上的地方，已經(jīng)驚人地發(fā)現(xiàn)，所述多孔(下面的)層沒(méi)有被所述非多孔(上面的)層混合或污染。不希望受理論限制，據(jù)信為了在同時(shí)涂覆過(guò)程中獲得明顯的層關(guān)系，應(yīng)當(dāng)在層流情況下結(jié)合所述涂層溶液。
[0066]對(duì)于使用先前概述的涂覆技術(shù)的多個(gè)層的同時(shí)沉積，為了避免層混合，每一層的流動(dòng)狀態(tài)是層狀的。所述膜和電極層的混合可能導(dǎo)致電池的直接短路，因?yàn)樵贛EA中每個(gè)電極將與另一個(gè)緊密接觸。模具的狹縫中的雷諾數(shù)被用來(lái)評(píng)估層流的程度。在一些實(shí)施例中，雷諾數(shù)小于約2100以保持明顯的層。在其他實(shí)施例中，雷諾數(shù)小于約50以保持明顯的層。在另一實(shí)施例中，雷諾數(shù)小于約10以保持明顯的層。雷諾數(shù)是無(wú)量綱的，并可以如下計(jì)算:

【權(quán)利要求】
1.一種將多個(gè)燃料電池部件涂層同時(shí)施加在基材上的方法，所述方法包括: 提供基材；和 在層流下將兩種或更多種溶液同時(shí)涂覆到所述基材上，使得非多孔層溶液被同時(shí)涂覆在第一多孔層溶液上； 其中所述第一多孔層溶液包含電極墨水而所述非多孔層溶液包含膜溶液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括將多孔增強(qiáng)層施加在所述非多孔層溶液上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括干燥所述第一多孔層溶液、所述非多孔層溶液和所述多孔增強(qiáng)層以形成在所述基材上的第一多孔層、在所述第一多孔層上的非多孔層和在所述非多孔層上的所述多孔增強(qiáng)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中使用狹縫模具涂布工藝、斜板涂布工藝、幕涂工藝或輥式涂布工藝或其組合同時(shí)涂覆所述兩種或更多種溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述層流具有小于約50的雷諾數(shù)。
6.—種將多個(gè)燃料電池部件涂層同時(shí)施加在基材上的方法，所述方法包括: 提供基材；和 在層流下將三種或更多種溶液同時(shí)涂覆到所述基材上，使得非多孔層溶液被同時(shí)涂覆在第一多孔層溶液上； 其中所述第一多孔層溶液包含電極墨水而所述非多孔層溶液包含膜溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中將所述第一多孔層溶液同時(shí)涂覆在微孔層溶液上，并將所述微孔層同時(shí)涂覆在所述基材上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括干燥所述微孔層溶液、所述第一多孔層溶液和所述非多孔層溶液以形成微孔層、第一多孔層和非多孔層。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述基材為氣體擴(kuò)散介質(zhì)。
10.一種制造膜電極組件的方法，所述方法包括: 將兩種或更多種溶液同時(shí)涂覆到第一基材上以形成陰極基材，其中在層流下進(jìn)行所述涂覆，使得膜溶液被同時(shí)涂覆在陰極溶液上； 將兩種或更多種溶液同時(shí)涂覆到第二基材上以形成陽(yáng)極基材，其中在層流下進(jìn)行所述涂覆，使得膜溶液被同時(shí)涂覆在陽(yáng)極溶液上；和 將所述陰極基材熱壓到所述陽(yáng)極基材，使得陰極和陽(yáng)極在所述膜的相對(duì)的兩側(cè)。
【文檔編號(hào)】H01M4/88GK104051745SQ201410094397
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】S.C.穆斯, B.M.霍塔林 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司