膜電極組件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了：一種膜電極組件，該膜電極組件包括第一氣體擴(kuò)散層，該第一氣體擴(kuò)散層在其主表面上具有第一微孔層，其中所述第一微孔層具有主表面，其中第一微孔層的主表面中具有基本上不含微孔材料的非連續(xù)區(qū)域，并且其中第一非連續(xù)區(qū)域的至少一部分中具有粘合劑；以及多種制備膜電極組件的方法。本文所述的膜電極組件可用于例如燃料電池。
【專利說明】膜電極組件及其制備方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年12月17日提交的美國臨時專利申請61/917135的權(quán)益，該申請的公開內(nèi)容全文以引用方式并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]燃料電池膜電極組件(MEA)通常包括碳紙氣體擴(kuò)散層(GDL)，該碳紙氣體擴(kuò)散層粘結(jié)、涂覆或?qū)雍现陵枠O催化劑、陰極催化劑和膜層上。該五層構(gòu)造可通過幾種方式制備，然而最常見的是將催化劑附接到該膜上，以形成催化劑涂覆膜(CCM)。然后將具有微孔層(MPL)的氣體擴(kuò)散層附接到催化劑涂覆膜上以形成膜電極組件。
[0004]就有利地將氣體擴(kuò)散層與催化劑涂覆膜固定在一起而言，催化劑與氣體擴(kuò)散層的微孔層側(cè)之間的粘結(jié)通常是該構(gòu)造中的薄弱環(huán)節(jié)。而且，即使微孔層與催化劑之間的粘結(jié)相對牢固，也存在以下可能:微孔層與氣體擴(kuò)散層纖維之間的粘結(jié)不足以將部件保持在一起。因此，以下述方式將氣體擴(kuò)散層粘結(jié)到催化劑涂覆膜上可為有利的:粘合劑接觸氣體擴(kuò)散層碳纖維，從而建立牢固粘結(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一個方面，本公開描述了一種膜電極組件，包括第一氣體擴(kuò)散層，所述第一氣體擴(kuò)散層在其主表面上具有第一微孔層，其中第一微孔層具有主表面，其中第一微孔層的主表面中具有基本上不含微孔材料的非連續(xù)區(qū)域，并且其中第一非連續(xù)區(qū)域的至少一部分中具有粘合劑。本文所用的“基本上不含微孔材料”是指非連續(xù)區(qū)域中的至少一部分不包含氣體擴(kuò)散層的適用主表面上的微孔材料。
[0006]在另一方面，本公開描述了制備膜電極組件的第一方法，所述方法包括:
[0007]提供第一氣體擴(kuò)散層，所述第一氣體擴(kuò)散層的主表面上具有第一微孔層，其中第一微孔層具有主表面區(qū)域；
[0008]將第一微孔層的一部分從第一氣體擴(kuò)散層上移除，以在基本上不含第一微孔材料的第一氣體擴(kuò)散層的主表面上提供至少第一區(qū)域；
[0009]提供具有大致相對的第一主表面和第二主表面的催化劑涂覆膜，其中第一主表面包含陽極催化劑，并且其中第二主表面包含陰極催化劑；
[0010]將第一氣體擴(kuò)散層固定到催化劑涂覆膜的陽極催化劑，其中在基本上不含第一微孔材料的第一氣體擴(kuò)散層的第一區(qū)域的至少一部分中設(shè)置有第一粘合劑，所述第一粘合劑至少部分地有助于將第一氣體擴(kuò)散層與催化劑涂覆膜粘結(jié)在一起;以及
[0011]將第二氣體擴(kuò)散層固定到催化劑涂覆膜的陰極催化劑以提供膜電極組件。
[0012]在另一方面，本公開描述了制備膜電極組件的第二方法，所述方法包括:
[0013]用至少一個掩模將微孔層涂覆到第一氣體擴(kuò)散層的主表面上以提供其主表面上具有第一微孔層的第一氣體擴(kuò)散層，其中第一微孔層具有主表面，并且其中第一微孔層的主表面中具有基本上不含第一微孔材料的非連續(xù)區(qū)域，并且其中至少一個非連續(xù)區(qū)域的至少一部分處于第一氣體擴(kuò)散層的活性區(qū)域中；
[0014]提供具有大致相對的第一主表面和第二主表面的催化劑涂覆膜，其中第一主表面包含陽極催化劑，并且其中第二主表面包含陰極催化劑；
[0015]將第一氣體擴(kuò)散層固定到催化劑涂覆膜的陽極催化劑，其中在基本上不含第一微孔材料的第一氣體擴(kuò)散層的第一區(qū)域的至少一部分中設(shè)置有第一粘合劑，所述第一粘合劑至少部分地有助于將第一氣體擴(kuò)散層與催化劑涂覆膜粘結(jié)在一起;以及
[0016]將第二氣體擴(kuò)散層固定到催化劑涂覆膜的陰極催化劑以提供膜電極組件。
[0017]本文所述的膜電極組件可用于例如燃料電池。本文所述的膜電極組件的實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)包括良好的操作性能，使得部件一般都牢牢保持在一起，并且不需要單獨(dú)組裝成燃料電池組。以粘接方式粘結(jié)氣體擴(kuò)散層可促進(jìn)氣體擴(kuò)散層與活性區(qū)域?qū)R，并且有助于在電池組內(nèi)維持這種對齊。提供完全集成的膜電極組件而不是用于快速組裝電池組的單個部件，這對于電池組制作人員而言也是有利的。
【附圖說明】
[0018]圖1是包括本文所述制品的示例性燃料電池的示意圖；
[0019]圖2是本文所述的包括圖1所示的燃料電池的示例性膜電極組件的分解圖；
[0020]圖2A是圖2所示的氣體擴(kuò)散層的剖視圖；以及
[0021 ]圖3A和圖3B是用于制備本文所述的示例性膜電極組件的示例性方法的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]參見圖1，燃料電池10包括本文所述的示例性膜電極組件9。膜電極組件9包括與陽極14相鄰的第一氣體擴(kuò)散層(GDL)12。與陽極14相鄰的包括電解質(zhì)膜16。陰極18與電解質(zhì)膜16相鄰，并且第二氣體擴(kuò)散層19與陰極18相鄰。GDL 12和19可被稱為擴(kuò)散集流體(DCC)或流體輸送層(FTL)。在操作中，氫燃料被引入燃料電池10的陽極部分，從而穿過第一氣體擴(kuò)散層12并位于陽極14之上。在陽極14，氫燃料被分為氫離子(H+)和電子(e—)。
[0023]電解質(zhì)膜16僅允許氫離子或質(zhì)子穿過電解質(zhì)膜16到達(dá)燃料電池10的陰極部分。電子不能穿過電解質(zhì)膜16，而是以電流的形式流過外部電路。此電流可為，例如，電負(fù)載17(諸如電動馬達(dá))提供電力或者被引入能量存儲裝置(諸如可再充電電池)。
[0024]氧氣通過第二氣體擴(kuò)散層19流入燃料電池10的陰極側(cè)。當(dāng)氧氣穿過陰極18時，氧氣、質(zhì)子和電子結(jié)合以生成水和熱。
[0025]圖2提供了本文所述的示例性膜電極組件9的一些更多詳情。本文所述的膜電極組件9包括第一氣體擴(kuò)散層9，第一氣體擴(kuò)散層的主表面99上具有第一微孔層101。第一微孔層101具有主表面HO。第一微孔層9的主表面99中具有基本上不含微孔材料的非連續(xù)區(qū)域103。第一非連續(xù)區(qū)域103的至少一部分在其中具有粘合劑105。在一些實(shí)施方案中，例如，如此處所示，至少一個非連續(xù)區(qū)域103的至少一部分處于活性區(qū)域中。任選地，具有第二微孔層201的第二氣體擴(kuò)散層19中具有基本上不含微孔材料的非連續(xù)區(qū)域203。在一些實(shí)施方案中，例如，如此處所示，第一非連續(xù)區(qū)域203的至少一部分中具有粘合劑205。在一些實(shí)施方案中，例如，如此處所示，至少一個非連續(xù)區(qū)域203的至少一部分處于活性區(qū)域中。本文所用的“活性區(qū)域”是指氣體擴(kuò)散層中的區(qū)域，其中氣體擴(kuò)散層表面的主表面與催化劑表面相鄰，以便于發(fā)生燃料電池電化學(xué)反應(yīng)。
[0026]盡管圖2示出示例性擴(kuò)散層和氣體擴(kuò)散層，該擴(kuò)散層上具有固定到催化劑涂覆膜的陽極催化劑的非連續(xù)區(qū)域，并且該氣體擴(kuò)散層上可具有或可不具有固定到催化劑涂覆膜的陰極催化劑的非連續(xù)區(qū)域，本文所述的膜電極組件的其他示例性實(shí)施方案具有擴(kuò)散層和氣體擴(kuò)散層，該擴(kuò)散層中具有固定到催化劑涂覆膜的陰極催化劑的非連續(xù)區(qū)域，該氣體擴(kuò)散層中可具有或可不具有固定到催化劑涂覆膜的陽極催化劑的非連續(xù)區(qū)域。
[0027]在一些實(shí)施方案中，氣體擴(kuò)散層的非連續(xù)區(qū)域是多個通道。在一些實(shí)施方案中，基本上不含微孔材料的非連續(xù)區(qū)域的至少一部分是多個未連通的通道。在一些實(shí)施方案中，基本上不含微孔材料的非連續(xù)區(qū)域的至少一部分是多個連通的通道。在一些實(shí)施方案中，非連續(xù)區(qū)域的至少一部分為圖案的形式。
[0028]在一些實(shí)施方案中，非連續(xù)區(qū)域中至少一些區(qū)域具有在Imm至10mm(在一些實(shí)施方案中，在2mm至6mm、或甚至3mm至5mm)范圍內(nèi)的寬度。
[0029]在一些實(shí)施方案中，基本上不含與微孔層相關(guān)的微孔材料的第一非連續(xù)區(qū)域總共占微孔層主表面的2%至40% (在一些實(shí)施方案中，4%至20%、或甚至6%至15%)。
[0030]合適的氣體擴(kuò)散層和/或制備這些層的方法是本領(lǐng)域已知的，或者可以如本文所述進(jìn)行改良，以制備本文所述的膜電極組件。通常，氣體擴(kuò)散層由包含碳纖維的片狀材料構(gòu)成。氣體擴(kuò)散層通常是織造或非織造碳纖維形式的碳纖維。示例性碳纖維可(例如)以商品名“Toray Carbon Paper”購自日本中央?yún)^(qū)的東隨株式會社(Toray Industries,Chuo-ku,Japan);以商品名“ZoltekCarbon Cloth Panex 30”購自美國密蘇里州圣路易斯的卓爾泰克公司(Zoltek Corporat1n，St.Louis，M0);以商品名 “Freudenberg Gas Diffus1nLayers”購自德國魏因海姆的科德寶燃料電池組件技術(shù)公司(Freudenberg FCCT Se&C0.Kg.Weinheim，Germany)。任選地，該氣體擴(kuò)散層可用各種材料涂覆或浸漬，包括碳粒涂層、親水處理和疏水處理(例如，用聚四氟乙烯(PTFE)涂覆)。
[0031]該多孔微層通常包含碳粒和聚合物組合物。合適的碳粒是本領(lǐng)域已知的。示例性的碳粒包括初級粒子(平均粒徑范圍為約I納米(nm)至約I OOnm )、初級粒子的初級聚集體(平均粒徑范圍為約0.01微米至約I微米)、初級粒子的二級聚集體(平均粒徑范圍為0.1微米至約10微米)、聚集體的團(tuán)聚體(平均粒徑大于約10微米)以及它們的組合。在一些實(shí)施方案中，碳粒包括初級粒子、初級聚集體以及它們的組合。
[0032]合適的碳粒是本領(lǐng)域已知的，并且包括炭黑(例如經(jīng)油爐加熱過的炭黑(可例如，以商品名“Vulcan XC-72炭黑(Vulcan XC_72carbon black)”從馬薩諸塞州比爾里卡的卡博特公司(Cabot Corporat1n，Billerica，MA)商購獲得)。石墨化碳粒也是所需的，因?yàn)樗鼈円话惚憩F(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與氧化性。
[0033]用于多孔微層的示例性聚合物組合物是本領(lǐng)域已知的，并且包括可非熔融加工的高氟化聚合物和可熔融加工的高氟化聚合物的組合。在一些實(shí)施方案中，可非熔融加工聚合物和可熔融加工聚合物均為全氟聚合物。
[0034]示例性可非熔融加工聚合物包括表現(xiàn)出低于約0.5克/10分鐘的熔體流動指數(shù)的高氟化聚合物(例如，四氟乙烯(TFE)的均聚物、TFE與其他單體的共聚物以及它們的組合)。TFE與全氟烷基乙烯基醚的共聚物通常稱為“改性PTFE”或“TFM”(可，例如，以商品名uDYNEON TFM”得自明尼蘇達(dá)州奧克代爾的丹尼昂公司(Dyneon，LLC，OakdaIe，MN))。與TFE一起用于共聚物的合適單體的示例包括全氟丙基乙烯基醚。
[0035]示例性可熔融加工聚合物包括表現(xiàn)出至少約I克/10分鐘的熔體流動指數(shù)的高氟化聚合物(例如，包括全氟烷氧基烷烴(PFA)的高氟化聚合物(例如，TFE與全氟烷氧乙烯醚的共聚物)、氟化乙丙烯(FEP)、全氟丙烯酸酯、六氟丙烯共聚物、四氟乙烯/六氟丙烯/偏二氟乙烯(THV)的三元共聚物、TFE與乙烯(ETFE)的共聚物、它們的全氟聚合物以及它們的組合)。
[0036]多孔微層可通過本領(lǐng)域已知的技術(shù)施加到氣體擴(kuò)散層上，包括將含水懸浮液涂覆到該氣體擴(kuò)散層的主表面上。合適的含水懸浮液是本領(lǐng)域已知的，并且通常包含載體、表面活性劑、碳粒以及聚合物組合物。示例性載體包括水、醇以及它們的組合。示例性表面活性劑包括能夠使碳粒和聚合物組合物基本上分散或懸浮在載體中的表面活性劑。在一些實(shí)施方案中，含水懸浮液也可包含其他材料，諸如增稠劑、消泡劑、乳化劑和穩(wěn)定劑。
[0037]載體、表面活性劑、碳粒和聚合物組合物的濃度可根據(jù)所選組分而不同。含水懸浮液的合適的組合物濃度的示例包括基于含水懸浮液的總重量計(jì)在以下范圍內(nèi)的濃度:約
0.1重量％至約15重量％的表面活性劑、約I重量％至約50重量％的碳粒、以及約0.1重量％至約15重量％的聚合物組合物。相應(yīng)地，載體的合適濃度是含水懸浮液與以上所列組分總和之間的濃度差。
[0038]含水懸浮液可使用多種本領(lǐng)域已知的方法涂覆，包括手工方法和機(jī)械方法，包括手刷、缺口棒涂、線繞棒涂、液壓軸承涂敷、狹槽進(jìn)料刮涂以及三輥涂敷?？衫靡淮瓮坎蓟蚨啻瓮坎紝?shí)現(xiàn)涂覆。
[0039]在涂覆該含水懸浮液之后，可將氣體擴(kuò)散層初始加熱至足夠溫度并持續(xù)足夠時間，以基本上去除載體、表面活性劑和表面活性劑的分解產(chǎn)物。在初始加熱之后，微層基本上維持如在含水懸浮液中所提供的碳粒和聚合物組合物的相對濃度。微層中的示例性組合物濃度(初始加熱之后)包括基于給定微層的總重量計(jì)在以下范圍內(nèi)的濃度:約50重量%至約90重量％ (在一些實(shí)施方案中，約75重量％至約85重量％)的碳粒、以及約10重量％至約50重量％ (在一些實(shí)施方案中，約15重量％至約25重量％)的聚合物組合物。
[0040]在初始加熱之后，可使用第二加熱步驟燒結(jié)該聚合物組合物。合適的燒結(jié)溫度和持續(xù)時間的示例包括能夠燒結(jié)可非熔融加工聚合物和可熔融加工聚合物的溫度和持續(xù)時間(例如，對于PTFE為約330 0C)。
[0041]對于本文所述的第二方法，當(dāng)涂覆(包括澆注)微孔層時，可用掩模制備氣體擴(kuò)散層，在某氣體擴(kuò)散層上具有非連續(xù)區(qū)域(包括不止一個非連續(xù)區(qū)域(例如，第二區(qū)域;第二區(qū)域和第三區(qū)域;第二區(qū)域、第三區(qū)域和第四區(qū)域等))。掩?？捎糜诜乐箽怏w擴(kuò)散層的所需部分(例如，氣體擴(kuò)散層的外周邊緣)被涂覆有微孔層材料。該掩模通常在該氣體擴(kuò)散層的周邊邊緣處留出范圍在4%至12% (在一些實(shí)施方案中，6%至10%)內(nèi)的非涂覆微孔層區(qū)域。該掩模更通常將留出周邊邊緣不涂覆。
[0042]對于本文所述的第一方法，氣體擴(kuò)散層上的微孔層的一部分可，例如，通過機(jī)械移除(例如，機(jī)械加工和粘合劑移除)或激光燒蝕中的至少一種方式移除。激光燒蝕可通過以下方式完成:匯聚足夠強(qiáng)度的能量將微孔層連同氣體擴(kuò)散層纖維一起移除。激光燒蝕通?？蓪⑽⒖讓舆B同周邊邊緣的纖維一起移除，從而將微孔層覆蓋的區(qū)域減少微孔層主表面的2%至40% (在一些實(shí)施方案中，4%至20%、或甚至6%至15%)。也可通過粘合劑完成微孔層的移除。在這種情況下，將粘合劑或粘合劑膠帶施加至該氣體擴(kuò)散層的周邊邊緣，然后移除該粘合劑或粘合劑膠帶會將微孔層連同周邊邊緣的纖維一起移除，從而將微孔層覆蓋的區(qū)域減少微孔層主表面的2%至40% (在一些實(shí)施方案中，4%至20%、或甚至6%至15%)。合適的粘合劑為(例如)壓敏粘合劑，諸如以商品名“Scotch ATG粘合劑轉(zhuǎn)移膠帶#924(Scotch ATG Adhesive Transfer Tape#924)” 購自明尼蘇達(dá)州圣保羅的3M公司(3MCompany，St.Paul ,MN)的壓敏粘合劑。在一些實(shí)施方案中，將微孔層材料從該氣體擴(kuò)散層主表面上至少一個另外的區(qū)域(例如，第二區(qū)域;第二區(qū)域和第三區(qū)域;第二區(qū)域、第三區(qū)域和第四區(qū)域等)上移除。
[0043]合適的包括陽極催化劑層和陰極催化劑層的催化劑涂覆膜(CCM)和聚合物電解質(zhì)膜(PEM)是本領(lǐng)域已知的，并且可通過本領(lǐng)域已知的技術(shù)制備，包括將催化劑層壓、輥壓接合、絲網(wǎng)印刷、壓制到聚合物電解質(zhì)膜上。
[0044]合適的聚合物電解質(zhì)膜是本領(lǐng)域已知的，并且通常包含具有結(jié)合到共用主鏈上的陰離子官能團(tuán)的聚合物電解質(zhì)，所述官能團(tuán)通常為磺酸基團(tuán)，但也可包括羧酸基團(tuán)、酰亞胺基團(tuán)、酰胺基團(tuán)、或其他酸性官能團(tuán)。在一些實(shí)施方案中，聚合物電解質(zhì)是高氟化的(例如，全氟的)。在一些實(shí)施方案中，聚合物電解質(zhì)為四氟乙烯以及至少一種氟化的具有酸性官能團(tuán)的共聚單體的共聚物。聚合物電解質(zhì)可，例如，以商品名“Naf1n”購自特拉華州威爾明頓的杜邦化學(xué)公司(DuPont Chemicals ,Wilmington DE)，以及以商品名“Flem1n”購自日本東京的旭硝子株式會社(Asahi Glass C0.Ltd.,Tokyo ,Japan)。在一些實(shí)施方案中:該聚合物電解質(zhì)是四氟乙烯(TFE)與以下物質(zhì)的共聚物:FsO2-CF2CF2CF2CF2-O-CF = CF2，如(例如)美國專利6,624，328(Guerra)和7，348，088(Hamrock等人)以及于2004年12月17日公布的美國專利公布US 2004-0116742 Al中所述，以上專利的公開內(nèi)容以引用方式并入本文。該聚合物通常具有不超過1200(在一些實(shí)施方案中，不超過1100、1000、900、或甚至不超過800)的當(dāng)量(EW)。
[0045]該聚合物可通過本領(lǐng)域已知的技術(shù)形成膜，包括用懸浮液澆注(例如，棒涂、噴涂、縫涂和刷涂)。將聚合物形成膜的其他技術(shù)包括熔融加工(例如，通過擠壓)純聚合物。在形成之后，膜可退火，通常在至少120°C(在一些實(shí)施方案中，至少130°C、或甚至至少150°C)的溫度下。聚合物電解質(zhì)膜的厚度通常不超過50微米(在一些實(shí)施方案中，不超過40微米、不超過30微米、或甚至不超過15微米)。
[0046]在一些實(shí)施方案中，該聚合物電解質(zhì)膜還包括諸如膨脹PTFE層等的多孔支承體，其中多孔支承體的孔含有聚合物電解質(zhì)。在一些實(shí)施方案中，聚合物電解質(zhì)膜不具有多孔支承體。在一些實(shí)施方案中，聚合物電解質(zhì)膜還包含交聯(lián)聚合物。
[0047]合適的催化劑涂覆膜是本領(lǐng)域已知的。在一些實(shí)施方案中，使用碳載催化劑粒子。典型的碳載催化劑粒子為按重量計(jì)50 % -90 %的碳和10 % -50 %的催化劑金屬，其中該催化劑金屬通常包含用于陰極的Pt和用于陽極的重量比為2:1的Pt和Ru。通常將催化劑以催化劑油墨的形式施加到聚合物電解質(zhì)膜或氣體擴(kuò)散層上?；蛘?，例如，可將催化劑油墨施加在轉(zhuǎn)移基底上，加以干燥，然后以貼花的形式施加到聚合物電解質(zhì)膜或氣體擴(kuò)散層上。催化劑油墨通常包含聚合物電解質(zhì)材料，該材料可以與包括聚合物電解質(zhì)膜的聚合物電解質(zhì)材料相同或不同。催化劑油墨通常包含聚合物電解質(zhì)分散體中的催化劑粒子分散體。催化劑油墨通常含有5%-30%的固體(即聚合物和催化劑)，并且更通常含有10%-20%的固體。電解質(zhì)分散體通常為水分散體，其可另外含有一元醇和多元醇(例如，甘油和乙二醇)?？梢哉{(diào)整水、一元醇和多元醇的含量以改變油墨的流變性。在一些實(shí)施方案中，該油墨通常含有O至50 %的一元醇和O至20 %的多元醇。在一些實(shí)施方案中，該油墨可含有0-2 %的合適分散劑。可(例如)通過在加熱的同時攪拌，隨后稀釋到可施涂的稠度的方法制備該油墨?？赏ㄟ^手工方法和機(jī)械方法將該油墨(例如)施加到襯片或膜自身上，包括手刷、缺口棒涂、液壓軸承模涂、線繞棒涂、液壓軸承涂敷、狹槽進(jìn)料刮涂、三輥涂敷或貼花轉(zhuǎn)移?？衫靡淮瓮糠蠡蚨啻瓮糠髮?shí)現(xiàn)涂覆。
[0048]膜電極組件可通過本領(lǐng)域已知的技術(shù)組裝，包括通過用粘合劑將它們粘貼在一起，將該氣體擴(kuò)散層附接到催化劑涂覆膜的任一側(cè)。
[0049]示例性粘合劑包括不會污染燃料電池的粘合劑(例如，丙烯酸酯或?qū)嵴澈蟿?例如，乙烯醋酸乙烯酯或乙烯丙烯酸乙酯))。
[0050]氣體擴(kuò)散層可(例如)通過用于輥軸附接的壓力機(jī)或輥隙中的壓力或壓力與溫度的組合進(jìn)行附接。在一些實(shí)施方案中，在第一氣體擴(kuò)散層被固定到催化劑涂覆膜上之前，第二氣體擴(kuò)散層被固定到催化劑涂覆膜上。
[0051]使用時，本文所述的膜電極組件通常夾在兩個剛性板之間，所述剛性板稱為分配板，也稱為雙極板(BPP)或單極板。與氣體擴(kuò)散層類似，分配板必須是導(dǎo)電的。分配板通常由碳復(fù)合材料、金屬，或鍍覆金屬材料制備。分配板向或從膜電極組件電極表面分配反應(yīng)物或產(chǎn)物流，通常通過至少一個流體傳導(dǎo)通道鐫刻、研磨、模制或壓印在朝向膜電極組件的表面中。這些通道有時稱為流場。分配板可以使流體在層疊的兩個連續(xù)膜電極組件之間來回分布，其中一面引導(dǎo)燃料到第一膜電極組件的陽極，同時另一面引導(dǎo)氧化劑到下一膜電極組件的陰極(并移除產(chǎn)物水)，因而也稱為“雙極板”?；蛘?，例如，分配板可以僅一側(cè)具有通道，以使流體僅僅在該側(cè)的膜電極組件上來回分布，這可稱為“單極板”。術(shù)語“雙極板”，如本領(lǐng)域所用，通常也涵蓋單極板。典型的燃料電池組包含若干與雙極板交替層疊的膜電極組件。
[0052]本文所述的膜電極組件可用于例如燃料電池。
[0053]示例性實(shí)施方案
[0054]1A.—種膜電極組件，包括第一氣體擴(kuò)散層，所述第一氣體擴(kuò)散層在其主表面上具有第一微孔層，其中第一微孔層具有主表面，其中第一微孔層的主表面中具有基本上不含微孔材料的非連續(xù)區(qū)域，并且其中第一非連續(xù)區(qū)域的至少一部分中具有粘合劑。
[0055]2A.示例性實(shí)施方案IA所述的膜電極組件，其中基本上不含微孔材料的第一非連續(xù)區(qū)域的至少一部分是多個通道。
[0056]3A.示例性實(shí)施方案IA所述的膜電極組件，其中基本上不含微孔材料的第一非連續(xù)區(qū)域的至少一部分是多個未連通的通道。
[0057]4A.示例性實(shí)施方案IA所述的膜電極組件，其中基本上不含微孔材料的第一非連續(xù)區(qū)域的至少一部分是多個連通的通道。
[0058]5A.任一前述示例性實(shí)施方案A所述的膜電極組件，其中基本上不含微孔材料的第二非連續(xù)區(qū)域的至少一部分為圖案的形式。
[0059]6A.任一前述示例性實(shí)施方案A所述的膜電極組件，其中第一非連續(xù)區(qū)域中至少一些區(qū)域具有在Imm至1mm(在一些實(shí)施方案中，在2mm至6mm、或甚至3mm至5mm)范圍內(nèi)的寬度。
[0060]7A.任一前述示例性實(shí)施方案A所述的膜電極組件，其中基本上不含微孔材料的第一非連續(xù)區(qū)域總共占微孔層主表面的2%至40% (在一些實(shí)施方案中，4%至20%、或甚至6%至 15%)。
[0061]8A.任一前述示例性實(shí)施方案A所述的膜電極組件，還包括第二氣體擴(kuò)散層，第二氣體擴(kuò)散層的主表面上具有第二微孔層，其中第二微孔層具有主表面，并且其中第二微孔層的主表面中具有基本上不含微孔材料的非連續(xù)區(qū)域。
[0062]9A.示例性實(shí)施方案8A所述的膜電極組件，其中基本上不含微孔材料的第二非連續(xù)區(qū)域的至少一部分是多個通道。
[0063]10A.示例性實(shí)施方案8A所述的膜電極組件，其中基本上不含微孔材料的第二非連續(xù)區(qū)域的至少一部分是多個未連通的通道。
[0064]11A.示例性實(shí)施方案8A所述的膜電極組件，其中基本上不含微孔材料的第二非連續(xù)區(qū)域的至少一部分是多個連通的通道。
[0065]12A.示例性實(shí)施方案8A至IlA中任一項(xiàng)所述的膜電極組件，其中基本上不含微孔材料的第二非連續(xù)區(qū)域的至少一部分為圖案的形式。
[0066]13A.示例性實(shí)施方案7A至IlA中任一項(xiàng)所述的膜電極組件，其中第二非連續(xù)區(qū)域中至少一些區(qū)域具有在Imm至1mm(在一些實(shí)施方案中，在2mm至6_、或甚至3mm至5mm)范圍內(nèi)的寬度。
[0067]14A.示例性實(shí)施方案7A至13A中任一項(xiàng)所述的膜電極組件，其中基本上不含微孔材料的第二非連續(xù)區(qū)域總共占微孔層主表面的2%至40% (在一些實(shí)施方案中，4%至20 %、或甚至6%至15%)。
[0068]IB.一種制備膜電極組件的方法，該方法包括:
[0069]提供第一氣體擴(kuò)散層，所述第一氣體擴(kuò)散層的主表面上具有第一微孔層，其中第一微孔層具有主表面區(qū)域；
[0070]將第一微孔層的一部分從第一氣體擴(kuò)散層上移除以在基本上不含第一微孔材料的第一氣體擴(kuò)散層的主表面上提供至少第一區(qū)域；
[0071]提供具有大致相對的第一主表面和第二主表面的催化劑涂覆膜，其中第一主表面包含陽極催化劑，并且其中第二主表面包含陰極催化劑；
[0072]將第一氣體擴(kuò)散層固定到催化劑涂覆膜的陽極催化劑，其中在基本上不含第一微孔材料的第一氣體擴(kuò)散層的第一區(qū)域的至少一部分中設(shè)置有第一粘合劑，所述第一粘合劑至少部分地有助于將第一氣體擴(kuò)散層與催化劑涂覆膜粘結(jié)在一起;以及
[0073]將第二氣體擴(kuò)散層固定到催化劑涂覆膜的陰極催化劑以提供膜電極組件。
[0074]2B.示例性實(shí)施方案IB所述的方法，其中在第一氣體擴(kuò)散層被固定到催化劑涂覆膜的陽極催化劑之前，第二氣體擴(kuò)散層被固定到催化劑涂覆膜的陰極催化劑。
[0075]3B.示例性實(shí)施方案IB或2B所述的方法，其中將第一微孔材料的某部分從第一氣體擴(kuò)散層上移除通過激光燒蝕或機(jī)械移除中的至少一種方式完成。
[0076]4B.示例性實(shí)施方案IB或2B所述的方法，其中將第一微孔材料的某部分從第一氣體擴(kuò)散層上移除通過激光燒蝕或粘合劑轉(zhuǎn)移中的至少一種方式完成。
[0077]5B.示例性實(shí)施方案IB至4B中任一項(xiàng)所述的方法，其中基本上不含第一微孔材料的第一區(qū)域的至少一部分是多個通道。
[0078]6B.示例性實(shí)施方案IB至5B中任一項(xiàng)所述的方法，其中基本上不含第一微孔材料的第一氣體擴(kuò)散層的主表面上第一區(qū)域的至少一部分是多個連通的通道。
[0079]7B.示例性實(shí)施方案IB至6B所述的方法，還包括將第一微孔材料的某部分從第一氣體擴(kuò)散層上移除以在基本上不含第一微孔材料的第一氣體擴(kuò)散層的主表面上提供至少一個另外的區(qū)域(例如，第二區(qū)域;第二區(qū)域和第三區(qū)域;第二區(qū)域、第三區(qū)域和第四區(qū)域等)O
[0080]SB.示例性實(shí)施方案7B所述的方法，其中基本上不含第一微孔材料的第一氣體擴(kuò)散層的主表面上所述區(qū)域的至少一部分是多個未連通的通道。
[0081]9B.示例性實(shí)施方案IB至8B中任一項(xiàng)所述的方法，其中基本上不含第一微孔材料的第一氣體擴(kuò)散層的主表面上至少一個區(qū)域的至少一部分具有在Imm至I Omm(在一些實(shí)施方案中，在2mm至6mm、或甚至3mm至5mm)的范圍內(nèi)的寬度。
[0082]10B.示例性實(shí)施方案IB至9B中任一項(xiàng)所述的方法，其中基本上不含第一微孔材料的區(qū)域總共占微孔層主表面的2%至40% (在一些實(shí)施方案中，4%至20%、或甚至6%至15%)0
[0083]11B.示例性實(shí)施方案IB至1B中任一項(xiàng)所述的方法，其中第二氣體擴(kuò)散層的主表面上具有第二微孔層，其中第二微孔層具有主表面區(qū)域，其中第二氣體擴(kuò)散層至少通過以下方式固定到催化劑涂覆膜的陰極催化劑:
[0084]將第二微孔層的一部分從第二氣體擴(kuò)散層上移除以在基本上不含第二微孔材料的第二氣體擴(kuò)散層的主表面上提供至少第一區(qū)域;以及
[0085]將第二氣體擴(kuò)散層固定到該催化劑涂覆膜的陰極催化劑，其中在基本上不含第二微孔材料的第二氣體擴(kuò)散層的第一區(qū)域的至少一部分中設(shè)置有第二粘合劑，所述第二粘合劑至少部分地有助于將第二氣體擴(kuò)散層與催化劑涂覆膜粘結(jié)在一起。
[0086]12B.示例性實(shí)施方案1B所述的方法，其中將第一微孔材料的某部分從第一氣體擴(kuò)散層上移除通過激光燒蝕或機(jī)械移除中的至少一種方式完成。
[0087]13B.示例性實(shí)施方案IlB所述的方法，其中將第二微孔材料的某部分從第二氣體擴(kuò)散層上移除通過激光燒蝕或粘合劑轉(zhuǎn)移中的至少一種方式完成。
[0088]14B.示例性實(shí)施方案IlB至13B中任一項(xiàng)所述的方法，其中基本上不含第二微孔材料的第二區(qū)域的至少一部分是多個通道。
[0089]15B.示例性實(shí)施方案IlB至13B中任一項(xiàng)所述的方法，其中基本上不含第二微孔材料的第二氣體擴(kuò)散層的主表面上第二區(qū)域的至少一部分是多個連通的通道。
[0090]16B.示例性實(shí)施方案IlB至15B中任一項(xiàng)所述的方法，還包括將第二微孔材料的一部分從第二氣體擴(kuò)散層上移除以在基本上不含第二微孔材料的第二氣體擴(kuò)散層的主表面上提供至少一個另外的區(qū)域(例如，第二區(qū)域;第二區(qū)域和第三區(qū)域;第二區(qū)域、第三區(qū)域和第四區(qū)域等)。
[0091]17B.示例性實(shí)施方案16B所述的方法，其中基本上不含第二微孔材料的第二氣體擴(kuò)散層的主表面上所述區(qū)域的至少一部分是多個未連通的通道。
[0092]18B.示例性實(shí)施方案IlB至17B中任一項(xiàng)所述的方法，其中基本上不含第二微孔材料的第二氣體擴(kuò)散層的主表面上至少一個區(qū)域的至少一部分的寬度在Imm至10mm(在一些實(shí)施方案中，在2mm至6mm、或甚至3mm至5mm)的范圍內(nèi)。
[0093]19B.示例性實(shí)施方案IlB至18B中任一項(xiàng)所述的方法，其中基本上不含第二微孔材料的區(qū)域總共占微孔層主表面的2%至40% (在一些實(shí)施方案中，4%至20%、或甚至6%至15%)0
[0094]1C.一種制備膜電極組件的方法，該方法包括:
[0095]用至少一個掩模將微孔層涂覆到第一氣體擴(kuò)散層的主表面上以提供其主表面上具有第一微孔層的第一氣體擴(kuò)散層，其中第一微孔層具有主表面，并且其中第一微孔層的主表面中具有基本上不含第一微孔材料的非連續(xù)區(qū)域，并且其中至少一個非連續(xù)區(qū)域的至少一部分處于第一氣體擴(kuò)散層的活性區(qū)域中；
[0096]提供具有大致相對的第一主表面和第二主表面的催化劑涂覆膜，其中第一主表面包含陽極催化劑，并且其中第二主表面包含陰極催化劑；
[0097]將第一氣體擴(kuò)散層固定到催化劑涂覆膜的陽極催化劑，其中在基本上不含第一微孔材料的第一氣體擴(kuò)散層的第一區(qū)域的至少一部分中設(shè)置有第一粘合劑，所述第一粘合劑至少部分地有助于將第一氣體擴(kuò)散層與催化劑涂覆膜粘結(jié)在一起;以及
[0098]將第二氣體擴(kuò)散層固定到催化劑涂覆膜的陰極催化劑以提供膜電極組件。
[0099]2C.示例性實(shí)施方案IC所述的方法，其中在第一氣體擴(kuò)散層被固定到催化劑涂覆膜上之前，第二氣體擴(kuò)散層被固定到催化劑涂覆膜上。
[0100]3C.示例性實(shí)施方案IC或2C所述的方法，其中第一氣體擴(kuò)散層被固定到催化劑涂覆膜的陽極催化劑，并且其中第二氣體擴(kuò)散層被固定到催化劑涂覆膜的陰極催化劑。
[0101]4C.示例性實(shí)施方案IC或2C所述的方法，其中第一氣體擴(kuò)散層被固定到催化劑涂覆膜的陰極催化劑，并且其中第二氣體擴(kuò)散層被固定到催化劑涂覆膜的陽極催化劑。
[0102]5C.示例性實(shí)施方案IC至4C中任一項(xiàng)所述的方法，其中基本上不含第一微孔材料的第一區(qū)域的至少一部分是多個通道。
[0103]6C.示例性實(shí)施方案IC至4C中任一項(xiàng)所述的方法，其中基本上不含第一微孔材料的第一氣體擴(kuò)散層的主表面上第一區(qū)域的至少一部分是多個連通的通道。
[0104]7C.示例性實(shí)施方案IC至6C所述的方法，還包括將第一微孔材料的一部分從第一氣體擴(kuò)散層上移除以在基本上不含第一微孔材料的第一氣體擴(kuò)散層的主表面上提供至少一個另外的區(qū)域(例如，第二區(qū)域;第二區(qū)域和第三區(qū)域;第二區(qū)域、第三區(qū)域和第四區(qū)域等)O
[0105]SC.示例性實(shí)施方案7C所述的方法，其中基本上不含第一微孔材料的第一氣體擴(kuò)散層的主表面上所述區(qū)域的至少一部分是多個未連通的通道。
[0106]9C.示例性實(shí)施方案IC至SC中任一項(xiàng)所述的方法，其中基本上不含第一微孔材料的第一氣體擴(kuò)散層的主表面上至少一個區(qū)域的至少一部分的寬度在Imm至1mm(在一些實(shí)施方案中，在2mm至6mm、或甚至3mm至5mm)的范圍內(nèi)。
[0107]10C.示例性實(shí)施方案IC至9C中任一項(xiàng)所述的方法，其中基本上不含第一微孔材料的區(qū)域總共占微孔層主表面的2%至40% (在一些實(shí)施方案中，4%至20%、或甚至6%至15%)0
[0108]以下實(shí)施例進(jìn)一步說明了本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施方案，但是這些實(shí)施例中所提到的具體材料及其量以及其他條件和細(xì)節(jié)均不應(yīng)被解釋為對本發(fā)明的不當(dāng)限制。除非另外指明，否則所有的份數(shù)和百分率均按重量計(jì)。
[0109]實(shí)施例1
[0110]下面的過程用于移除氣體擴(kuò)散層的微孔層并且添加粘合劑用于擴(kuò)散層附接。參見圖3A，靠近氣體擴(kuò)散層卷材399移除微孔層399。使用粘合劑轉(zhuǎn)移膠帶(以商品名“ScotchATG 700粘合劑轉(zhuǎn)移膠帶(Scotch ATG 700Adhesive Transfer Tape)”購自美國明尼蘇達(dá)州圣保羅的3M公司(3M Company，St.Paul，MN))并且使用傳統(tǒng)的膠帶分割器362A，362B提供通道303A，303B有利于將微孔層399的一部分從氣體擴(kuò)散層313上移除。所移除的微孔層材料重新繞進(jìn)或繞到粘合劑轉(zhuǎn)移膠帶內(nèi)的廢料襯片收集件361A，361B中。
[0111]參見圖3B，將在隔離襯片上涂覆的厚度為25微米的乙烯丙烯酸乙酯熱熔膜363A，363B(用以商品名“DOW EA102”購自密歇根州米德蘭市的陶氏化學(xué)公司(Dow ChemicalC0.,Midland，MI)的樹脂制備)用作輸入性熱熔融粘合劑膠帶填充通道303A，303B。熱熔融粘合劑(未示出；在輥370之間)在130°C下用熱輥隙371層壓。隔離襯片365A.365B被揭開。
[0112]模切所得的氣體擴(kuò)散層314(具有粘合劑303A，303B)，使得粘合劑303A，303B的邊緣線與催化劑涂覆膜16的邊緣吻合(參見圖2)。隨后將氣體擴(kuò)散層14和18(參見圖2和圖2A)(用于這些用途的氣體擴(kuò)散層314)與CCM 16對齊(參見圖2)，并且在常規(guī)壓力機(jī)中將其熱粘結(jié)到催化劑涂覆膜16(參見圖2)上以形成催化劑涂覆膜16(參見圖2)。
[0113]在不脫離本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)的情況下，本公開的可預(yù)知的變型和更改對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。本發(fā)明不應(yīng)受限于本申請中為了示例性目的所示出的實(shí)施方案。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種膜電極組件，包括第一氣體擴(kuò)散層，所述第一氣體擴(kuò)散層在其主表面上具有第一微孔層，其中所述第一微孔層具有主表面，其中所述第一微孔層的所述主表面中具有基本上不含微孔材料的非連續(xù)區(qū)域，并且其中第一非連續(xù)區(qū)域的至少一部分中具有粘合劑。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極組件，其中基本上不含微孔材料的所述第一非連續(xù)區(qū)域的至少一部分是多個通道。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極組件，其中基本上不含微孔材料的所述第一非連續(xù)區(qū)域的至少一部分是多個未連通的通道。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極組件，其中基本上不含微孔材料的所述第一非連續(xù)區(qū)域的至少一部分是多個連通的通道。5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的膜電極組件，其中所述第一非連續(xù)區(qū)域中的至少一些區(qū)域具有在Imm至1mm范圍內(nèi)的寬度。6.一種制備膜電極組件的方法，所述方法包括: 提供第一氣體擴(kuò)散層，所述第一氣體擴(kuò)散層的主表面上具有第一微孔層，其中所述第一微孔層具有主表面區(qū)域； 將所述第一微孔層的一部分從所述第一氣體擴(kuò)散層上移除以在基本上不含第一微孔材料的所述第一氣體擴(kuò)散層的所述主表面上提供至少第一區(qū)域； 提供具有大致相對的第一主表面和第二主表面的催化劑涂覆膜，其中所述第一主表面包含陽極催化劑，并且其中所述第二主表面包含陰極催化劑； 將所述第一氣體擴(kuò)散層固定到所述催化劑涂覆膜的所述陽極催化劑，其中在基本上不含第一微孔材料的所述第一氣體擴(kuò)散層的所述第一區(qū)域的至少一部分中設(shè)置有第一粘合劑，所述第一粘合劑至少部分地有助于將所述第一氣體擴(kuò)散層與所述催化劑涂覆膜粘結(jié)在一起；以及 將第二氣體擴(kuò)散層固定到所述催化劑涂覆膜的所述陰極催化劑以提供所述膜電極組件。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中在所述第一氣體擴(kuò)散層被固定到所述催化劑涂覆膜的所述陽極催化劑之前，所述第二氣體擴(kuò)散層被固定到所述催化劑涂覆膜的所述陰極催化劑。8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中將所述第一微孔材料的所述部分從所述第一氣體擴(kuò)散層上移除通過激光燒蝕或粘合劑轉(zhuǎn)移中的至少一種方式完成。9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中基本上不含第一微孔材料的所述第一區(qū)域的至少一部分是多個通道。10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中基本上不含第一微孔材料的所述第一氣體擴(kuò)散層的所述主表面上所述第一區(qū)域的至少一部分是多個連通的通道。11.根據(jù)權(quán)利要求6至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第二氣體擴(kuò)散層的主表面上具有第二微孔層，其中所述第二微孔層具有主表面區(qū)域，其中所述第二氣體擴(kuò)散層至少通過以下方式固定到所述催化劑涂覆膜的所述陰極催化劑: 將所述第二微孔層的一部分從所述第二氣體擴(kuò)散層上移除以在基本上不含第二微孔材料的所述第二氣體擴(kuò)散層的所述主表面上提供至少第一區(qū)域;以及 將所述第二氣體擴(kuò)散層固定到所述催化劑涂覆膜的所述陰極催化劑，其中在基本上不含第二微孔材料的所述第二氣體擴(kuò)散層的所述第一區(qū)域的至少一部分中設(shè)置有第二粘合劑，所述第二粘合劑至少部分地有助于將所述第二氣體擴(kuò)散層與所述催化劑涂覆膜粘結(jié)在一起。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中將第二微孔材料的所述部分從所述第二氣體擴(kuò)散層上移除通過激光燒蝕或粘合劑轉(zhuǎn)移中的至少一種方式完成。13.—種制備膜電極組件的方法，所述方法包括: 用至少一個掩模將微孔層涂覆到第一氣體擴(kuò)散層的主表面上，以提供其主表面上具有第一微孔層的第一氣體擴(kuò)散層，其中所述第一微孔層具有主表面，并且其中所述第一微孔層的所述主表面中具有基本上不含第一微孔材料的非連續(xù)區(qū)域，并且其中至少一個非連續(xù)區(qū)域的至少一部分處于所述第一氣體擴(kuò)散層的活性區(qū)域中； 提供具有大致相對的第一主表面和第二主表面的催化劑涂覆膜，其中所述第一主表面包含陽極催化劑，并且其中所述第二主表面包含陰極催化劑； 將所述第一氣體擴(kuò)散層固定到所述催化劑涂覆膜的所述陽極催化劑，其中在基本上不含第一微孔材料的所述第一氣體擴(kuò)散層的所述第一區(qū)域的至少一部分中設(shè)置有第一粘合劑，所述第一粘合劑至少部分地有助于將所述第一氣體擴(kuò)散層與所述催化劑涂覆膜粘結(jié)在一起；以及 將第二氣體擴(kuò)散層固定到所述催化劑涂覆膜的所述陰極催化劑以提供所述膜電極組件。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中在所述第一氣體擴(kuò)散層被固定到所述催化劑涂覆膜之前，所述第二氣體擴(kuò)散層被固定到所述催化劑涂覆膜。15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中所述第一氣體擴(kuò)散層被固定到所述催化劑涂覆膜的所述陽極催化劑，并且其中所述第二氣體擴(kuò)散層被固定到所述催化劑涂覆膜的所述陰極催化劑。16.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中所述第一氣體擴(kuò)散層被固定到所述催化劑涂覆膜的所述陰極催化劑，并且其中所述第二氣體擴(kuò)散層被固定到所述催化劑涂覆膜的所述陽極催化劑。
【文檔編號】H01M4/88GK105849934SQ201480069221
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年12月10日
【發(fā)明人】丹尼爾·M·皮爾龐特, 約瑟夫·W·弗里斯克, 埃里克·J·漢森
【申請人】3M創(chuàng)新有限公司