制備膜電極組件的方法
【專利摘要】一種制備膜電極組件的方法，所述方法包括如下步驟：提供催化劑涂覆的膜幅材；提供層合位置，其中所述催化劑涂覆的膜幅材在形成層合輥隙的層合輥對(duì)之間拖曳；模切氣體擴(kuò)散層材料的第一幅材和第二幅材，用以制備第一氣體擴(kuò)散層和第二氣體擴(kuò)散層；將所述第一氣體擴(kuò)散層和第二氣體擴(kuò)散層送入與所述催化劑涂覆的膜幅材相鄰的層合輥隙中；以及層合所述第一氣體擴(kuò)散層、催化劑涂覆的膜幅材和第二氣體擴(kuò)散層，以形成層合物。
【專利說(shuō)明】制備膜電極組件的方法
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2006年12月29日、申請(qǐng)?zhí)枮?00680050086. 2 (國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮?PCT/US2006/049658)、發(fā)明名稱為"制備膜電極組件的方法"的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002] 相關(guān)專利申請(qǐng)的奪叉引用
[0003] 本申請(qǐng)要求2005年12月29日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?0/743084的優(yōu)先權(quán)， 該專利的公開內(nèi)容全文以引用方式并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004] 本發(fā)明涉及將氣體擴(kuò)散層（GDL)附著在催化劑涂覆的膜（CCM)上，用以制備五層 膜電極組件（MEA)(例如燃料電池中使用的MEA)的方法。

【背景技術(shù)】
[0005] 據(jù)稱美國(guó)6, 197, 147B1公開了制備層合物的方法。
[0006] 美國(guó)2003/0191021 A1公開了涉及生產(chǎn)膜電極組件的層合裝置和方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明提供制備五層膜電極組件的方法，該方法包括如下步驟：a)提 供催化劑涂覆的膜幅材，其包括：1)具有第一面和第二面的聚合物電解質(zhì)膜；2)多個(gè)層合 在所述膜的所述第一面上的第一組成圖案的催化劑層片段，以使得鄰近的組成圖案的催化 劑層片段不相互接觸；以及3)多個(gè)層合在所述膜的所述第二面上的第二組成圖案的催化 劑層片段，以使得鄰近的組成圖案的催化劑層片段不相互接觸；b)提供層合位置，其中所 述催化劑涂覆的膜幅材在形成層合輥隙的層合輥對(duì)之間拖曳；c)模切第一氣體擴(kuò)散層材 料的第一幅材以制備第一氣體擴(kuò)散層；d)模切第二氣體擴(kuò)散層材料的第二幅材以制備第 二氣體擴(kuò)散層；e)將所述第一氣體擴(kuò)散層傳送至所述層合位置；f)將所述第二氣體擴(kuò)散層 傳送至所述層合位置；g)將所述第一氣體擴(kuò)散層送入相鄰所述催化劑涂覆的膜幅材的所 述層合輥隙中；h)在送入所述第一氣體擴(kuò)散層的同時(shí)，將所述第二氣體擴(kuò)散層送入與所述 催化劑涂覆的膜幅材相鄰的所述層合輥隙中；以及i)層合所述第一氣體擴(kuò)散層、催化劑涂 覆的膜幅材和所述第二氣體擴(kuò)散層，以形成層合物。該方法可以另外包括如下步驟：j)重 復(fù)步驟a)-i)，以形成包含多個(gè)五層膜電極組件的連續(xù)幅材。通常，所述第一氣體擴(kuò)散層具 有大于所述第一組成圖案的催化劑層片段的面積。通常，所述第二氣體擴(kuò)散層具有大于所 述第二組成圖案的催化劑層片段的面積。
[0008] 在本專利申請(qǐng)中：
[0009] "層合"是指將兩個(gè)或更多個(gè)薄片材料粘合在一起；以及
[0010] "五層膜電極組件"是指包含至少五層的構(gòu)造，包括氣體擴(kuò)散層、催化劑層、聚合物 電解質(zhì)膜層、另一催化劑層和另一氣體擴(kuò)散層；以及
[0011] "氣體擴(kuò)散層"(GDL)可以包含先前定義的如下層："擴(kuò)散片/集電器層"(DCC)、"流 體傳輸層"（FTL)或"電極背襯層"（EBL)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012] 附圖為示意性俯視圖，其示出了在輥壓粘合前，氣體擴(kuò)散層（EFGH)和催化劑涂覆 的膜的催化劑區(qū)域（ABCD)的布置，這將在本文中進(jìn)一步描述。

【具體實(shí)施方式】
[0013] 本發(fā)明涉及將氣體擴(kuò)散層（GDL)附著至催化劑涂覆膜（CCM)上，用以制備膜電極 組件（MEA)(例如燃料電池中使用的MEA)的方法。本發(fā)明的方法包括將GDL輥壓粘合在 CCM上，并且通常同時(shí)將兩片⑶L輥壓粘合在CCM上，一面一片。此外，該方法可以包括在 輥壓粘合前，在CCM片頂部的特定位置覆蓋GDL片角的步驟。此外，該方法可以包括預(yù)先步 驟：將GDL片從模切位置傳送至輥壓粘合位置，通常使用真空傳送帶以保持配準(zhǔn)。此外，該 方法可以包括預(yù)先步驟：從⑶L材料片或卷（更通常為卷）上模切出⑶L片。本發(fā)明的方 法可以使用例如美國(guó)2003/0191021 A1中公開的設(shè)備來(lái)實(shí)施。本發(fā)明的方法可以使用例如 美國(guó)2003/0191021 A1中公開的方法細(xì)節(jié)來(lái)實(shí)施。
[0014] 在一些實(shí)施例中，可以使用傳感器（例如激光傳感器）來(lái)定位GDL片相對(duì)于CCM 片及相互之間的位置。CCM幅材和送入一個(gè)或兩個(gè)⑶L的傳送裝置的相對(duì)速度可相對(duì)互相 調(diào)整，以使得在CCM幅材兩面的⑶L片中心與CCM中心相同。
[0015] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，CCM包括催化劑區(qū)域和非催化劑區(qū)域，其中催化劑區(qū)域 中的膜具有催化劑涂層，非催化劑區(qū)域中膜是裸露的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是GDL對(duì)裸露膜區(qū)域的 粘附優(yōu)于對(duì)CCM催化劑區(qū)域的粘附。結(jié)合附圖，四邊形EFGH表示⑶L片，四邊形AB⑶表示 CCM的催化劑區(qū)域。結(jié)合附圖，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)下列參數(shù)可使⑶L片與CCM片之間的物理粘附性最 大化，從而導(dǎo)致燃料電池中MEA的性能得到改善。在本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例中，通?？稍谥苽?過(guò)程中連續(xù)控制以下參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)。
[0016] 參數(shù)1 :⑶L片的頂部邊緣EF與CCM催化劑區(qū)域的頂部邊緣AB保持平行。
[0017] 參數(shù)2 :⑶L片的底部邊緣GH與CCM催化劑區(qū)域的底部邊緣⑶保持平行。
[0018] 參數(shù)3 :GDL片的側(cè)邊EG與CCM催化劑區(qū)域的側(cè)邊AC保持平行。
[0019] 參數(shù)4 :GDL片的側(cè)邊與CCM催化劑區(qū)域的側(cè)邊BD保持平行。
[0020] 參數(shù)5 :頂部和底部的突出部分保持相等，S卩，XI = X2。
[0021] 參數(shù)6 :側(cè)邊的突出部分保持相等，即，Y1 = Y2。
[0022] 參數(shù)7 :所有突出部分保持相等，S卩，XI = X2 = Y1 = Y2。
[0023] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是⑶L對(duì)CCM的物理粘附性正好與⑶L的突出部分成正比。
[0024] 在不脫離本發(fā)明范圍和原理的前提下，本發(fā)明的各種修改和更改對(duì)本領(lǐng)域內(nèi)的技 術(shù)人員將顯而易見，并且應(yīng)當(dāng)理解，上文提出的示例性實(shí)施例并非是對(duì)本發(fā)明的不適當(dāng)限 制。
【權(quán)利要求】
1. 一種制備五層膜電極組件的方法，包括以下步驟： a) 提供催化劑涂覆的膜幅材，所述膜幅材包括： 1) 具有第一面和第二面的聚合物電解質(zhì)膜； 2) 多個(gè)層合在所述膜的所述第一面上的第一組成圖案的催化劑層片段，以使得相鄰的 組成圖案的催化劑層片段不相互接觸；以及 3) 多個(gè)層合在所述膜的所述第二面上的第二組成圖案的催化劑層片段，以使得相鄰的 組成圖案的催化劑層片段不相互接觸； b) 提供層合位置，其中所述催化劑涂覆的膜幅材在形成層合輥隙的層合輥對(duì)之間拖 曳； c) 模切第一氣體擴(kuò)散層材料的第一幅材以制備第一氣體擴(kuò)散層； d) 模切第二氣體擴(kuò)散層材料的第二幅材以制備第二氣體擴(kuò)散層； e) 將所述第一氣體擴(kuò)散層傳送至所述層合位置； f) 將所述第二氣體擴(kuò)散層傳送至所述層合位置； g) 將所述第一氣體擴(kuò)散層送入與所述催化劑涂覆的膜幅材相鄰的所述層合輥隙中； h) 在送入所述第一氣體擴(kuò)散層的同時(shí)，將所述第二氣體擴(kuò)散層送入與所述催化劑涂覆 的膜幅材相鄰的所述層合輥隙中；以及 i) 層合所述第一氣體擴(kuò)散層、所述催化劑涂覆的膜幅材和所述第二氣體擴(kuò)散層，以形 成層合物，其中所述第一和第二氣體擴(kuò)散層直接層合至所述催化劑涂覆的膜幅材的裸露膜 區(qū)域， 其中所述第一氣體擴(kuò)散層具有大于所述第一組成圖案的催化劑層片段的面積。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，另外包括以下步驟： j) 重復(fù)步驟a)-i)，以形成包含多個(gè)五層膜電極組件的連續(xù)幅材。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二氣體擴(kuò)散層具有大于所述第二組成圖案 的催化劑層片段的面積。
【文檔編號(hào)】H01M4/88GK104103839SQ201410273181
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2006年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2005年12月29日
【發(fā)明者】戴維·R·梅卡拉 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司