CN110165265B - 制造集成水蒸气传输装置和燃料电池的方法-ii - Google Patents

制造集成水蒸气传输装置和燃料电池的方法-ii Download PDF

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Abstract

一种用于制造集成MEA的方法，该方法包括如下步骤：(1)提供具有AA区域和WVT区域的基底；(2)将微孔层、催化剂层以及第一膜离聚物层同时地涂覆到基底上；(3)在AA区域和WVT区域中将可选的膜载体层施涂于第一膜离聚物层；(4)施涂可选的第二膜离聚物层；(5)对涂覆基底进行热处理；以及(6)将涂覆基底组装至配套涂覆基底。

Description

制造集成水蒸气传输装置和燃料电池的方法-II
技术领域
本发明涉及一种制造集成膜电极组件(MEA)的方法，该集成膜电极组件具有水蒸气传输(WVT)区域。
背景技术
燃料电池堆叠系统用作用于电动车辆的电源、固定电源以及其他应用。一种已知的燃料电池堆叠系统是质子交换膜(PEM)燃料电池堆叠系统，其包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括薄的固体聚合物电解质膜，其在一个表面上具有阳极而在相对表面上具有阴极。MEA夹在成对导电接触元件之间，这些导电接触元件用作用于阳极和阴极的集电器，该集电器可在其中包含合适的通道和开口，用于将燃料电池堆叠系统的气态反应物(即，H2和O2或空气)分配到相应的阳极和阴极的表面之上。
PEM燃料电池包括多个MEA，这些MEA以电串联的形式堆叠在一起，同时由称为双极板或集电器的不可渗透的导电接触元件分开。燃料电池堆叠系统以将MEA维持在湿润状态中的方式操作。MEA的湿度水平影响燃料电池堆叠系统的性能。附加地，如果MEA过干地操作，则MEA的性能和使用寿命会降低。为了避免弄干MEA，传统的燃料电池堆叠系统在期望的湿度水平下与MEA操作，其中，在生产电力期间，液体水形成在燃料电池中。附加地，供给至燃料电池堆叠系统的阴极和阳极反应气体也加湿，以防止干燥在靠近于用于反应气体的入口的位置中的MEA。通常，水蒸气传输(WVT)单元用于在阴极反应气体进入到燃料电池之前加湿该阴极反应气体。例如参见其全文通过参照的方式纳入本文的授予Forte等人的美国专利7,138,197，一种操作燃料电池堆叠系统的方法。
PEM型燃料电池的基本部件是由聚合物膜电极分开的两个电极。每个电极均作为薄催化剂层定位在膜的相对侧部上。类似地，在组件的邻近于每个薄催化剂层的每个侧部上，将微孔层(MPL)涂覆在气体扩散基底上，以产生气体扩散层，其中，气体扩散层是膜电极组件(MEA)的每个侧部上的最外层。气体扩散基底通常由非织造碳纤维纸或织造碳布构成。主要提供GDL以实现导电性，并且允许气体与催化剂相接触。GDL作为用于催化剂层的载体工作，提供良好的机械强度并且使得气体易于通向催化剂且提供导电性。微孔层的目的是使得GDL和催化剂层之间的接触阻力最小，限制催化剂向GDL内部的损失，并且有助于在其提供有效的水传输时改善水管理。因此，电极(催化剂层)、膜、微孔层以及气体扩散层一起形成膜电极组件(MEA)。MEA通常设置在两个双极板之间以形成燃料电池结构。
例如众所周知的是，将氢气供给到燃料电池堆叠中的燃料电池，以引起所需的化学反应，从而使用电力来为车辆供电。传统的燃料电池中的此种化学反应的其中一个副产物是呈蒸气和/或液体形式的水。还期望将潮湿空气提供为向燃料电池堆叠的输入，以使得针对给定燃料电池堆叠尺寸的性能输出最大。潮湿空气还防止燃料电池膜的过早机械和化学退化。
输入空气通常由压缩机供给，而在堆叠外部的水传输装置通常实施在燃料电池系统中，以向由压缩机供给的输入空气添加湿气，而湿气源通常来自含水产品堆叠阴极出口流。传统的燃料电池系统中的许多其他部件中的这些部件引起燃料电池系统的成本并且还需要包装空间。在许多申请(例如但不限于车辆)中，包装空间受限。
因此，需要在合理成本可能的情形下集成燃料电池系统的部件。
发明内容
本发明提供一种用于制造膜电极组件(MEA)的方法，该膜电极组件具有集成水蒸气传输(WVT)区域，其中，MEA的某些层同时地进行条纹涂覆。第一实施例方法包括以下步骤：(1)提供基底，该基底具有活性区(AA)区域和WVT区域；(2)将微孔层(MPL)、含有催化剂的层以及第一膜离聚物层同时地涂覆到基底上；(3)在AA区域和WVT区域中将膜载体层可选地施涂于第一膜离聚物层；(4)可选地施涂第二膜离聚物层；以及(5)对由基底和多个层形成的涂覆基底进行热处理；以及(6)将涂覆基底组装至配套涂覆基底。可实施多层槽模涂覆工具，以将微孔层、催化剂层以及第一膜离聚物层同时地施涂或涂覆到基底上，其中，该基底是气体扩散介质。
参照本发明的所有实施例，可在将涂覆基底组装至配套涂覆基底之前，对该涂覆基底进行热处理。可实施模涂覆工具，以将微孔层、含有催化剂的层以及第一膜离聚物层同时地施涂或涂覆到基底上，其中，该基底是气体扩散介质。此外，参照本发明的所有实施例，WVT区域可限定在基底的第一端部处，且AA区域中间区域中限定为横贯基底的剩余部分，以延伸至基底的第二端部。替代地，参照本发明的所有实施例，WVT区域可限定在基底的第一端部处和基底的第二端部处，且AA区域设置在他们之间。应理解的是，在本发明所有实施例中实施的膜载体层可以但非必须地由ePTFE(膨胀聚四氟乙烯)形成。例如，在WVT区域限定在第一端部和第二端部处且AA区域介于他们之间的实施例中，含有催化剂的层中的催化剂层在各种实施例中可以但非必须地延伸到两个WVT区域的一个中(例如在图4中示出)，以在第一端部或第二端部上或者两个端部(第一和第二端部)上产生WVT区域(图4)。然而，在这样做时，须将其中一个含有催化剂的层(涂覆基底或配套涂覆基底)中的催化剂移除，以使得WVT区域至多在涂覆基底和催化剂涂覆基底之间具有一个催化剂层。
参照第一实施例，可使用仅仅施涂于AA区域的单种催化剂溶液来涂覆含有催化剂的层。因此，涂覆基底的AA区域包括基底层、微孔层、催化剂层、第一膜离聚物层、可选的膜载体层以及可选的第二膜离聚物层。此外，涂覆基底的WVT区域包括基底层、微孔层、第一膜离聚物层、可选的膜载体层以及可选的第二膜离聚物层。
替代地，可以对含有催化剂的层进行条纹涂覆，以使得催化剂层仅仅施涂于AA区域，且混合的碳/离聚物层可选地施涂于WVT区域。因此，在对催化剂层进行条纹涂覆的情形下，涂覆基底的WVT区域可包括基底层、微孔层、混合的碳/离聚物层、第一膜离聚物层、可选的膜载体层以及可选的第二膜离聚物层。
在本发明的又一实施例中，用于制造集成MEA的方法可包括如下步骤：(1)提供具有AA区域和WVT区域的基底；(2)将微孔层涂覆到整个基底上；(3)将催化剂层同时地涂覆到AA区域中的微孔层以及AA和WVT区域两者中的第一膜离聚物层上；(4)在AA区域和WVT区域中将可选的膜载体层施涂于第一膜离聚物层；(5)将可选的第二膜离聚物层涂覆到膜载体层上，以由此形成涂覆基底；以及(6)将涂覆基底组装至配套涂覆基底。可在将涂覆基底组装至配套涂覆基底之前，对该涂覆基底进行热处理。
在该实施例中，涂覆基底的AA区域可包括基底层、微孔层、催化剂层、第一膜离聚物层、可选的膜载体层以及可选的第二膜离聚物层。涂覆基底的WVT区域可包括基底层、微孔层、可选的碳/离聚物层、第一膜离聚物层、可选的膜载体层以及可选的第二膜离聚物层。在该实施例中，也可实施模涂覆工具，以将催化剂层以及第一膜离聚物层同时地施涂或涂覆到基底上，其中，该基底是气体扩散介质。
在本发明的又一实施例中，用于制造集成MEA的方法可包括如下步骤：(1)提供具有AA区域和WVT区域的基底；(2)将条纹涂覆的微孔层、条纹涂覆的含有催化剂的层以及条纹涂覆的第一膜离聚物层同时地施涂到基底的AA区域和WVT区域上；(3)在整个AA区域和WVT区域上将可选的膜载体层施涂到第一膜离聚物层上；(4)将可选的第二膜离聚物层条纹涂覆到膜载体层上，以由此形成涂覆基底；以及(5)将涂覆基底组装至配套涂覆基底。在该实施例中，微孔层在AA区域中是疏水性的而在WVT区域中是亲水性的，而含有催化剂的层仅仅在AA区域中包括催化剂以及在WVT区域中包括可选的混合的碳/离聚物层。该第一膜离聚物层在AA区域中包括第一燃料电池膜离聚物层，且在WVT区域中包括可选的WVT膜离聚物。该第二膜离聚物层在AA区域中包括第二燃料电池膜离聚物层，且在WVT区域中包括可选的WVT膜离聚物。
在该实施例中，涂覆基底的AA区域包括基底层、疏水性微孔层、催化剂层、第一燃料电池膜离聚物层、可选的膜载体层以及可选的第二燃料电池膜离聚物层。涂覆基底的WVT区域包括基底层、亲水性微孔层、可选的混合的碳/离聚物层、可选的第一WVT膜离聚物层、可选的膜载体层以及可选的第二WVT膜离聚物层。
在本发明的又一实施例中，用于制造集成MEA的方法包括如下步骤：(1)提供具有AA区域和WVT区域的基底；(2)在AA区域和WVT区域中，将条纹涂覆的微孔层提供到基底上；(3)将条纹涂覆的含有催化剂的层以及条纹涂覆的第一膜离聚物层同时地涂覆到AA区域和WVT区域上；(4)将可选的膜载体层施涂到条纹涂覆的第一膜离聚物层上；(5)将可选的条纹涂覆的第二膜离聚物层施涂到膜载体层上，以由此形成涂覆基底；以及(6)对由基底和多个层形成的涂覆基底进行热处理；以及(7)将涂覆基底组装至配套涂覆基底。微孔层在AA区域中是疏水性的而在WVT区域中是亲水性的，而含有催化剂的层包括催化剂溶液和可选的混合的碳/离聚物层，该催化剂溶液仅仅施涂为在AA区域中形成层，而该可选的混合的碳/离聚物层仅仅施涂于WVT区域。该实施例的第一条纹涂覆的膜离聚物层在AA区域中包括第一燃料电池膜离聚物溶液，以及包括在WVT区域中施涂的可选的第一WVT膜离聚物溶液。第二条纹涂覆的膜离聚物层包括在AA区域中施涂的第二燃料电池膜离聚物溶液，以及在WVT区域中施涂的第二可选的WVT膜离聚物溶液。
在该实施例中，涂覆基底的AA区域包括基底层、疏水性微孔层、催化剂层、第一燃料电池膜离聚物层、可选的膜载体层以及可选的第二燃料电池膜离聚物。涂覆基底的WVT区域包括基底层、亲水性微孔层、混合的碳/离聚物层、第一离聚物层(或可选的第一WVT膜离聚物层)、可选的膜载体层以及可选的第二WVT膜离聚物层。
从参照附图考虑的以下详细描述中，本发明及其特定的特征和优点会变得更为显而易见。
附图说明
从以下详细描述、最佳模式、权利要求以及附图中，本发明的这些和其他特征以及优点会显而易见，附图中：
图1是传统的燃料电池系统的示例示意图。
图2是传统的水蒸气传输单元的示意图，该水蒸气传输单元在燃料电池堆叠中的燃料电池外部。
图3是具有集成水蒸气传输区域的膨胀燃料电池的示例侧视图的示意图。
图4是燃料电池的第一示例正视图的视图，其中，集成水蒸气传输区域设置到第一双极板上。
图5是燃料电池的第二示例正视图的视图，其中，集成水蒸气传输区域设置到第一双极板上。
图6A是制造集成水蒸气传输装置和燃料电池的第一实施例方法的分解示意图。
图6B是制造集成水蒸气传输装置和燃料电池的第二实施例方法的分解示意图。
图6C是会组装至图6A中的涂覆基底的配套涂覆基底的示意图。
图7A是制造集成水蒸气传输装置和燃料电池的第三示例性方法的分解示意图。
图7B是制造集成水蒸气传输装置和燃料电池的第四实施例方法的分解示意图。
图7C是会组装至图7A中的涂覆基底的配套涂覆基底的示意图。
图8示出根据本发明各种实施例的示例非限制的条纹涂覆步骤，其中，该基底以平面图来说明。
图9说明膜电极组件的示例WVT区域沿着图5中的线9-9剖取的分解横截面视图，该膜电极组件具有涂覆基底和配套涂覆基底。
图10说明膜电极组件的示例AA区域沿着图5中的线10-10剖取的分解视图，该膜电极组件具有涂覆基底和配套涂覆基底。
在附图的若干视图的整个描述中，类似的附图标记指代类似的部件。
具体实施方式
现将详细地参照本发明的目前较佳组合、实施例以及方法，其构成发明人目前已知的实践本发明的最佳模式。附图并非必须按比例绘制。然而，应理解地是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，且本发明能以各种且替代的形式实施。因此，这里公开的特定细节并不解释为限制性的，而是仅仅作为本发明任何方面的代表性基础和/或作为用于教示本领域技术人员来以各种方式实施本发明的代表性基础。
除了在示例中或者另外清楚地指示以外，本说明中指示材料量或反应条件和/或使用的所有数值量应理解成由词语“约”所修饰，以描述本发明的最广泛范围。在所陈述的数值范围内的实践通常是较佳的。此外，除非明确进行相反的陈述：百分比、“份数”以及比值数值以重量计；对于结合本发明针对给定目的适合或较佳的材料组群或类别的描述暗指该组群或类别的任何两个或更多个构件的混合物同样是可适用或较佳的；首字母缩写或其他缩写的第一定义适用于本文中相同缩写的所有后续使用，并且比照适用于初始定义缩写的正常语法变体；并且，除非明确进行相反的陈述，通过之前或之后参照相同特性的相同技术来确定对特性的测量。
还应理解的是，本发明并不局限于下文描述的特定实施例和方法，因为特定的部件和/或条件当然可改变。此外，这里使用的术语仅仅用于描述本发明的特定实施例的目的并且并不旨在以任何方式进行限制。
还须注意的是，如说明书和所附权利要求中所使用地，单数形式“一(a)”、“一个(an)”以及“该(the)”包括复数对象，除非上下文另有清楚地指示。例如，参照单数的部件旨在包括多个部件。
术语“包括(comprising)”与“包括(including)”、“具有(having)”、“包含(containing)”或“特征在于(characterized by)”是同义词。这些术语是包括性的和开放性的并且并不排除附加的、未列举的元件或方法步骤。
措辞“由...组成(consisting of)”排除并未规定在权利要求中的任何元件、步骤或成分。当此种措辞出现在权利要求项的条款、而非紧跟在前序部分时，这仅仅限定在该条款中阐述的元件；其他元件并非作为整体从权利要求中排除。
措辞“基本上由...组成(consisting essentially of)”将权利要求的范围限制为特定的材料或步骤，加上那些并不在材料上影响所要求主题的基本和新颖特征的材料或步骤。
能替代地使用术语“包括(comprising)”、“由...组成(consisting of)”以及“基本上由...组成(consisting essentially of)”。在使用这三个术语的一个的情形下，目前所公开和要求的主题可包括使用另外两个术语的任一个。
在本申请全文中，在参照公开文献的情形下，这些公开文献的全部内容的公开在此通过参照的方式纳入本申请，以更完整地描述本发明所属的现有技术。
图1示出本领域中已知的燃料电池系统110的示意阴极子系统。如图所示，传统的水蒸气传输(WVT)装置104远离燃料电池堆叠系统的燃料电池堆叠的阴极出口130和阴极入口128定位。传统的燃料电池系统可以但非必须地包括增压空气冷却器(CAC)和/或转向器112，其与水蒸气传输装置104(例如，湿度调节器)一起来调节燃料电池102的相对湿度。增压空气冷却器和/或转向器112可具有第一入口132、第一出口124以及第二出口122。传统的燃料电池系统可进一步包括如图所示的燃料电池102和空气压缩机126。燃料电池102具有多个燃料电池、阴极入口128以及阴极出口130。空气压缩机126与燃料电池102流体连通，并且适合于向其提供增压空气流。WVT装置104通常是燃料电池堆叠的外部部件，且WVT装置104与如图所示的空气压缩机126和燃料电池102流体连通。WVT装置104适合于选择性地加湿提供给燃料电池102的增压空气。WVT装置104可将湿气从潮湿阴极排放流148传输至输入增压空气127(来自压缩机126)，该潮湿阴极排放流经由膜(未示出)离开阴极出口130。因此，来自WVT装置的输出增压空气127’具有充足的湿度来用在燃料电池102中。还可采用用于加湿增压空气的其他合适装置。
可选的增压空气冷却器(和/或转向器)112设置成与空气压缩机126以及燃料电池102和WVT装置104的每个连通。第一入口132与空气压缩机126流体连通。第一出口124与燃料电池102流体连通。空气压缩机126吸入环境空气100，并且(经由可选的CAC和/或转向器112)与WVT装置104流体连通。第二出口122与WVT装置104流体连通。示作元件112的增压空气冷却器(和/或三通转向器)适合于：a)致使增压空气绕过WVT装置104并且流至燃料电池102；和/或b)致使增压空气流至WVT装置104，以调节燃料电池102的湿度。
图1的示例已知燃料系统可包括致动器116、控制器118以及至少一个湿度传感器120。燃料电池系统控制器118可与致动器116电气连通。控制器118经由致动器和/或WVT调节燃料电池102的湿度。湿度传感器120可设置成与控制器电气连通，以提供增强空气相对湿度向控制器118的反馈。然而，应注意的是，更常见的已知燃料电池系统消除湿度传感器的使用，且替代地使用堆叠的高频率(即，膜)电阻，以间接地测量系统中的湿气。然而，不管是否实施湿度传感器，许多燃料电池系统通常实施如图所示的外部WVT装置104，该外部WVT装置需要空间并且由此增大燃料电池系统的总体尺寸。用于燃料电池系统的包装空间会尤其是在诸如但不限于车辆的应用中受限。因此，会期望减小此种燃料电池系统(尤其是在车辆应用中)的体积。
图2示出传统的燃料电池和外部水蒸气传输装置的更详细示意图。来自压缩机126(和/或可选地是CAC和转向器112)的输入增压空气127进入WVT装置104。WVT膜150构造成传输来自潮湿阴极排气流148的湿气158，由此产生加湿的输出增压空气127’，以在阴极入口128处进入燃料电池102(参见图1)。由于来自燃料电池102中的MEA152上的反应的水副产物156，阴极排放流148作为富含湿气的空气离开燃料电池102。应理解的是，在通过WVT装置104之后，阴极排放流148’具有减小的湿气含量。
因此，参照图3，本发明提供集成燃料电池10，该集成燃料电池具有在燃料电池内部的WVT区域。本发明的燃料电池10包括水传输部分12，该水传输部分集成在膜电极组件18中。如图3中所示，集成燃料电池10包括第一双极板14、第二双极板16以及膜电极组件(MEA)18，该膜电极组件设置在第一和第二双极板14、16之间。参照图3-5，膜电极组件18进一步包括水蒸气传输部分12和活性区部分20，其构造成在促进涉及具有氢气的输入流24和具有氧气的输入空气流26的反应的情形下生成电力62以及提供水副产物22。应理解的是，对于输入空气流26的所有参照均应解释为意指输入空气流26包含氧气。
再次参照图3，在第一MEA端部40处，膜电极组件18的水蒸气传输部分12可相对于活性区部分20是亲水性的，并且操作地构造成将湿气32从流体的具有较高相对湿度的主要流25(例如但不限于输出氢气流24’)传输至流体的次级流23(例如但不限于在第一MEA端部28处的输入增压空气流26)。替代地，在第二MEA端部30处的水蒸气传输部分12可构造成还将湿气38从流体的主要流25(排放空气流26’)传输至流体的次级流23(具有氢气的输入气态流24)。应理解的是，鉴于水蒸气副产物32、38在燃料电池生成电力时产生，流体的主要流25(排放空气流26’或输出氢气流24’等等)富含湿气。
现参照图6A，本发明提供用于制造集成MEA18的第一方法，该第一方法包括以下步骤：(1)提供具有AA区域20和WVT区域12的基底70；(2)将微孔层72、催化剂层74(阳极或阴极)同时地涂覆到AA区域20上，以及将第一膜离聚物层76涂覆到基底70上(步骤89)；(3)在AA区域20和WVT区域12中将可选的膜载体层78施涂于第一膜离聚物层76；(4)将可选的第二膜离聚物层80涂覆到膜载体层78上(或者如果省略膜载体层78，则涂覆到第一膜离聚物层76上)；(5)对通过基底70和施涂于基底70的前述多个层79形成的涂覆基底84进行热处理；以及(6)将涂覆基底84组装至配套涂覆基底85。配套涂覆基底85在图6C中示出。然而，应理解的是，可替代地对图6A的含有催化剂的层74进行条纹涂覆(作为同时涂覆步骤的一部分)，以使得AA催化剂层71仅仅施涂于AA区域20，而混合的碳/离聚物溶液73施涂于微孔层72的WVT区域12。
因此，应理解的是，涂覆基底84可在将第一膜离聚物层76作为用于涂覆基底84的最终层而施涂的情形下形成。然而，作为另一选项，膜载体层78能可选地作为最终层施涂于第一膜离聚物层76，由此形成涂覆基底84。此外，在又一第三选项中，第二膜离聚物层80可作为最终层施涂在膜载体层78的顶部上，由此形成涂覆基底84。在第四选项中，第二膜离聚物层80可作为向涂覆基底84的最终层直接地施涂于第一膜离聚物层76，其中，会省略膜载体层78。然后，由基底70和多个层79形成的涂覆基底84(上文识别)可进行热处理并且组装至配套涂覆基底85(图6C)。
如图所示，在第一前述结构中，涂覆基底84可在施涂第一膜离聚物76的情形下形成。在此种结构下，第一膜离聚物层76可包括诸如但不限于短塑料或陶瓷纤维的加强材料。短塑料和/或陶瓷纤维可混合到第一膜离聚物溶液中并且通过模涂覆工具送出，以施涂具有此种纤维/加强材料的第一膜离聚物层76。
参照本发明的所有实施例，可在将涂覆基底84组装至配套涂覆基底85之前，对该涂覆基底84进行热处理。(图6C)。可实施模涂覆工具86(图8)，以将微孔层72、含有催化剂的层74以及第一膜离聚物层76同时地施涂或涂覆到基底70上，其中，该基底70是气体扩散介质。此外，参照本发明的所有实施例，如图5中所示，WVT区域12可限定在基底70的第一端部28处，且AA区域20在中间区域中限定为横贯基底70的剩余部分，以延伸至基底70的第二端部30。替代地，参照本发明的所有实施例，如图4中所示，WVT区域12可限定在基底70的第一端部28处和基底70的第二端部30处，且AA区域20设置在他们之间。应理解的是，在本发明所有实施例中实施的膜载体层78可以但非必须地由膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)构成。此外，在WVT区域12限定在第一端部28和第二端部30两者处且AA区域20介于他们之间的所有实施例中，各个实施例中的催化剂层71可以但非必须延伸到两个WVT区域12的一个中(或者可根本并不延伸到任一WVT区域12中)。
此外，参照本发明中的所有实施例，每个涂覆层可经由模涂覆过程施涂，其中，每个层(除了膜载体层78以外)可涂覆到基底70上。如前所述，膜载体层78可以但非必须是ePTFE材料。此外，参照本发明的所有实施例，涂覆到基底70上的每个涂覆层可以但非必须地在施涂下个层之前进行热处理。在本发明中，各种实施例涉及微孔层，该微孔层应理解成包括但非限制于经涂覆和热处理的醇/水溶液中的碳黑和聚合物粘合剂的混合物。术语“醇/水溶液”应进一步解释为意指这样的溶液，该溶液可具有范围从100％醇和0％水至具有0％醇和100％水的溶液的含量混合物。疏水性微孔层可使用诸如聚四氟乙烯的疏水性粘合剂。亲水性微孔层可使用诸如离聚物的亲水性粘合剂。此外，本发明对“离聚物”的参照应解释为包括但不限于全氟磺酸。应理解的是，“离聚物层”是从醇/水溶液涂覆的全氟磺酸。当量重量(EW)是磺酸基浓度的量度，较低的EW意味着高浓度的磺酸基。
此外，本发明对“催化剂层”的参照应解释为包括但不限于承载于导电载体(例如，碳)上的Pt基纳米颗粒和从醇/水溶液涂覆的离聚物粘合剂的混合物，其进行热处理以形成层。对“碳/离聚物层”的参照应解释为包括但不限于导电载体(例如，碳)和从醇/水溶液涂覆的离聚物粘合剂的混合物，其进行热处理以形成层。附加地，对于“燃料电池膜离聚物和WVT离聚物”的参照应解释为包括但不限于意指WVT离聚物会具有相较燃料电池离聚物较低的EW(较高浓度的磺酸)。
对“气体扩散介质”的参照应解释为包括但不限于化学地(例如，利用树脂粘合剂)或者机械地(例如，水力缠结)粘结的碳纤维基纸。在涂覆气体扩散介质与微孔层的情形下，这些元素的组合可构成气体扩散层。此外，对“短陶瓷或塑料纤维”的参照应解释为包括但不限于这样的纤维，这些纤维可具有＜1微米的直径和大于10的纵横比(长度/直径)。
参照图6A和6B，可将含有催化剂的层74涂覆为形成仅仅施涂于AA区域20的单个AA催化剂层71。替代地，可以对含有催化剂的层74进行条纹涂覆，其中，单个AA催化剂层71仅仅施涂在AA中，而可选的混合碳离聚物层施涂在WVT区域12中。因此，涂覆基底84的AA区域20可包括基底70的层、微孔层72、催化剂层74、第一膜离聚物层76、可选的膜载体层78以及可选的第二膜离聚物80。然而，涂覆基底84的WVT区域12可包括基底70的层、微孔层72、第一膜离聚物层76、可选的膜载体层78以及可选的第二膜离聚物80。在替代例中，涂覆基底84的WVT区域12可包括基底70的层、微孔层72、第一膜离聚物层76、可选的混合碳离聚物层73、可选的膜载体层78和/或可选的第二膜离聚物80。应理解的是，以虚线示出的所有层均是可以包括或可以不包括的可选层。此外，可使用可选层的任何组合。
现参照图6B，提供本发明的第二实施例，其中，用于制造集成燃料电池/WVT区域MEA的方法可包括以下步骤：(1)提供具有AA区域20和WVT区域12的基底70；(2)将微孔层72涂覆到整个基底70上；(3)将含有催化剂的层74和第一膜离聚物层76同时地涂覆到微孔层72上(步骤89’)；(4)将可选的膜载体层78施涂至第一膜离聚物层76；(5)可选地将第二膜离聚物层80施涂到膜载体层78上(或者如果省略膜载体层78，则施涂到第一膜离聚物层76上)；(6)对通过基底70和施涂于基底70的前述多个层79形成的涂覆基底84’进行热处理；以及(7)将涂覆基底84’组装至配套涂覆基底85。应理解的是，含有催化剂的层74如图所示在AA区域20中施涂到微孔层72上。然而，应理解的是，如图6B中所示，可替代地对图6B的含有催化剂的层74进行条纹涂覆(作为同时涂覆步骤89’的一部分)，以使得AA催化剂层71仅仅施涂于AA区域20，而混合的碳/离聚物层73施涂于微孔层72的WVT区域12。然后，可在将涂覆基底84’组装于配到涂覆基底85之前，对涂覆基底84’进行热处理(在图6C中示出)。可实施模涂覆工具86，以将含有催化剂的层74(其可以或可以并不如上所述进行条纹涂覆)和第一膜离聚物层76同时地施涂或涂覆到基底70上，其中，基底70是气体扩散介质。
因此，应理解的是，图6B的涂覆基底84’可在将第一膜离聚物层76施涂为用于涂覆基底84’的最终层的情形下形成。然而，作为另一选项，膜载体层78能可选地作为最终层施涂于第一膜离聚物层76，由此形成涂覆基底84’。此外，在又一第三选项中，第二膜离聚物层80可作为最终层施涂在膜载体层78的顶部上，由此形成涂覆基底84’。在第四选项中，第二膜离聚物层80可直接地施涂于第一膜离聚物层76，以由此形成涂覆基底。因此，涂覆基底84’可由基底70和多个层79的任何组合(上文识别)，其然后会进行热处理并且组装至配套涂覆基底85。用于涂覆基底84、84’的配套涂覆基底85还包括基底70(图6C)、微孔层72以及催化剂层74。类似于图6A和6B的涂覆基底84、84’，配套涂覆基底85的含有催化剂的层74可以或可以并不如图6C中所示进行条纹涂覆。
在第一前述结构中，在同时涂覆步骤89’中，涂覆基底84’可在将第一膜离聚物层76作为最终层施涂的情形下形成。在此种结构下，图6B的第一膜离聚物层76可包括诸如但不限于短塑料或陶瓷纤维的加强材料。可将短塑料和/或陶瓷纤维混合到第一膜离聚物溶液中，且然后将其通过模涂覆工具送出，以施涂第一膜离聚物层76。
在图6B的第二实施例中，涂覆基底84’的AA区域20可包括基底70的层、微孔层72、含有催化剂的层74、第一膜离聚物层76、可选的膜载体层78以及可选的第二膜离聚物80。涂覆基底84’的WVT区域12可包括基底70的层、微孔层72、可选的混合碳离聚物层73、第一膜离聚物层76、可选的膜载体层78以及可选的第二膜离聚物层80。
现参照图7A，提供本发明的第三实施例，其中，用于制造集成燃料电池/WVT区域MEA18(图4)的方法可包括以下步骤：(1)提供具有AA区域20和WVT区域12的基底70’；(2)将条纹涂覆的微孔层(MPL)72’、含有催化剂的层74’(其可以或者可以并不进行条纹涂覆)以及第一膜离聚物层76’(其可以或者可以并不进行条纹涂覆)同时地施涂到基底70’上(步骤89”)；(3)将可选的膜载体层78’施涂至第一膜离聚物层76’上；(4)可选地施涂第二膜离聚物层80’(其可以或者可以并不进行条纹涂覆)，由此形成涂覆基底84”；以及(5)将涂覆基底84”组装至配套涂覆基底85’(图7C)。在图7A的该第三实施例中，条纹涂覆的微孔层72’在AA区域20中可以是疏水性的69’且在WVT区域12中是亲水性的67’，同时含有催化剂的层74’包括仅仅设置在AA区域20中的催化剂层71’，并且可以或者可以并不包括仅仅设置在WVT区域12中的混合的碳/离聚物层73’。如图7A中所示，第一膜离聚物层76’(其可以或者可以并不进行条纹涂覆)可在AA区域20中包括第一燃料电池膜离聚物层75’，并且在WVT区域12中可选地包括第一WVT膜离聚物层77’。可选的第二膜离聚物层80’可在AA区域中包括第二燃料电池膜离聚物层79’，并且在WVT区域12中包括可选的第二WVT膜离聚物层81’。因此，应理解的是，取决于可选的溶液(例如，WVT膜离聚物)是否施涂在WVT区域中，诸如可选的第二膜离聚物层80’的某些层可以或可以并不进行条纹涂覆。
因此，应理解的是，涂覆基底84”可在施涂第一膜离聚物层76’的情形下形成，该第一膜离聚物层可以或可以并非如图7A中所示进行条纹涂覆。然而，作为另一选项，膜载体层78’能可选地施涂于第一膜离聚物层76’(其可以或者可以并不进行条纹涂覆)，由此形成涂覆基底84”。此外，在又一第三选项中，第二膜离聚物层80’(其可以或者可以并不进行条纹涂覆)可作为最终层施涂在膜载体层78’的顶部上，由此形成涂覆基底84”。在第四选项中，第二膜离聚物层80’可直接地施涂于第一膜离聚物层76’。由基底70’和多个层(上文识别)79’形成的涂覆基底84’可然后进行热处理并且组装至配套涂覆基底85’。如图7C中所示，用于图7A和7B的涂覆基底84”、84”’的配套涂覆基底85’还包括基底70’、微孔层72’(其可以或可以并不如图所示进行条纹涂覆)以及含有催化剂的层74’(其也可以或可以并不例如上文针对涂覆基底84”(以及下文针对涂覆基底84”’)解释那样进行条纹涂覆)。
如图所示，在针对第三实施例的第一前述结构中，涂覆基底84”可在施涂第一膜离聚物层76’的情形下形成。在此种结构下，第一膜离聚物层76’可包括诸如但不限于短塑料或陶瓷纤维的加强材料。可将短塑料和/或陶瓷纤维混合到第一膜离聚物溶液76’中，且然后将其通过模涂覆工具送出，以施涂第一膜离聚物层76’。
在图7A中示出的实施例中，涂覆基底84”的AA区域20包括基底70’的层、疏水性MPL69’、催化剂层71’、第一燃料电池膜离聚物层75’、可选的膜载体层78’以及可选的第二燃料电池膜离聚物层80’。涂覆基底84”的WVT区域12可包括基底70’的层、可选的亲水性MPL67’、可选的混合的碳/离聚物层73’、第一膜离聚物层与可选的WVT膜离聚物层77’、可选的膜载体层78’以及可选的第二WVT膜离聚物层81’。参照图7A，应理解的是，当含有催化剂的层74’条纹涂覆至条纹涂覆的微孔层72’时，可选的混合的碳/离聚物层73’可设置在WVT区域12中。
现参照图7B，本发明的第四实施例包括用于制造集成燃料电池/WVT区域MEA84”’的方法包括以下步骤：(1)提供具有AA区域20和WVT区域12的基底70’；(2)在AA区域20和WVT区域12中，将条纹涂覆的微孔层72’提供到基底70’上；(3)同时地施涂含有催化剂的层74’和第一膜离聚物层76’(步骤89”’)；(4)将可选的膜载体层78’施涂到涂覆膜离聚物层76’上；(5)可选地将第二膜离聚物层80’施涂到膜载体层78’上(或者如果省略膜载体层78’，则施涂到第一条纹涂覆的膜离聚物层76’上)；(6)对通过基底70’和施涂于基底70’的前述多个层79’形成的涂覆基底84”’进行热处理；以及(7)将涂覆基底84”’组装至配套涂覆基底85’。前述条纹涂覆的微孔层72’可设置成使得疏水性MPL69’设置在AA区域20中，而亲水性MPL67’设置在WVT区域12中。类似地，含有催化剂的层74’可包括仅仅施涂于AA区域20的催化剂层71’和仅仅施涂于WVT区域12的可选的混合的碳/离聚物层73’，以使得含有催化剂的层74在同时涂覆步骤89”’期间进行条纹涂覆。如图所示，该实施例的第一膜离聚物层76’可进行条纹涂覆，以使得第一燃料电池膜离聚物层75’施涂于AA区域20，且第一WVT膜离聚物层77’施涂在WVT区域12中。类似地，第二膜离聚物层80’能可选地进行条纹涂覆，以使得在发生同时涂覆步骤89”时，第二膜离聚物层82’施涂于AA区域20，且第二WVT膜离聚物层81’施涂于WVT区域12。
因此，应理解的是，鉴于膜载体层78’是可选的，涂覆基底84”’可在施涂第一膜离聚物层76’的情形下形成。此外，条纹涂覆的微孔层72’在AA区域20中可以是疏水性的69’且在WVT区域12中是亲水性的67’，同时含有催化剂的层74’包括仅仅设置在AA区域20中的催化剂层71’，并且可以或者可以并不包括仅仅设置在WVT区域12中的混合的碳/离聚物层73’。如图7B中所示，第一膜离聚物层76’(其可以或者可以并不进行条纹涂覆)可在AA区域20中包括第一膜离聚物层75’并且可选地在WVT区域12中包括第一WVT膜离聚物层77’。可选的第二膜离聚物层80’可在AA区域中包括第二燃料电池膜离聚物层82’，并且在WVT区域12中包括可选的第二WVT膜离聚物层81’。因此，应理解的是，取决于可选的溶液(例如，WVT膜离聚物)是否施涂在WVT区域中，诸如可选的第二膜离聚物层80’的某些层可以或可以并不进行条纹涂覆。
在针对图7B的涂覆基底84”’的一个选项中，膜载体层78’能可选地作为用于涂覆基底84”’的最终层施涂于第一膜离聚物层76’。然而，在第二选项中，第二膜离聚物层80’可施涂在膜载体层78’的顶部上，由此形成涂覆基底84”’。在第三选项中，第二膜离聚物层80’可直接地施涂于第一膜离聚物层76’。再者，应理解的是，层74’、76’、80’可以或可以并不进行条纹涂覆。由基底70’和多个层(上文识别)79’的任何组合形成的涂覆基底84”’可然后进行热处理并且组装至配套涂覆基底85’。
在第一前述结构中，涂覆基底84”’可在作为用于涂覆基底85’的最终层施涂第一条纹涂覆的膜离聚物层76’的情形下形成。在此种结构下，第一膜离聚物层76’可包括诸如但不限于短塑料或陶瓷纤维的加强材料。可将短塑料和/或陶瓷纤维混合到第一膜离聚物溶液中，且然后将其通过模涂覆工具送出，以施涂第一膜离聚物层76’。
在图7B中示出的第四实施例中，涂覆基底84”’的AA区域20包括基底层70’、疏水性微孔层69’、催化剂层71’、第一燃料电池膜离聚物层75’、可选的膜载体层78’以及可选的第二燃料电池膜离聚物82’。涂覆基底84”’的WVT区域12可包括基底层70’、亲水性MPL67’、可选的混合的碳/离聚物层73’、可选的第一WVT膜离聚物层77’、可选的膜载体层78’以及可选的第二WVT膜离聚物层81’。
参照图8，示出各种实施例的条纹涂覆步骤，其中，模涂覆工具86接纳WVT溶液88以及AA溶液90。WVT溶液88可以是任何前述的溶液/层，在条纹涂覆步骤期间，上述溶液/层专用于基底辊子83的WVT区域12’(或者涂覆基底的WVT区域12)。在这样做时，特定的层可以进行条纹涂覆。AA溶液可以是任何前述的溶液/层，在条纹涂覆步骤期间，上述溶液/层专用于基底辊子83的AA区域20’(或者涂覆基底的AA区域20)。如图8中所示，模涂覆工具86构造成在基底辊子83远离模涂覆工具移动时、如图所示将前述溶液分配至他们的专用区域。
参照图9，示出MEA18的WVT区域12(沿着图5的剖线9-9)的示例截面的分解视图，其中，MEA18通过将配套涂覆基底85组装至涂覆基底84而形成。类似地，参照图10，示出MEA18的AA区域20(沿着图5的剖线10-10)的示例截面的分解视图，其中，MEA18通过将配套涂覆基底85组装至涂覆基底84而形成。AA区域主要与WVT区域不同之处至少关于AA区域包括两个催化剂层的事实。质子交换膜73是通过第一和可选的第二膜离聚物层76、80(例如在本发明的所有实施例中所描述的那样)形成的层，且可选的膜载体层78设置在他们之间。
虽然在前述详细描述中已呈现了多个示例性实施例，但应意识到的是存在各种各样变型。还应意识到的是，示例性实施例或者多个示例性实施例仅仅是示例，并且并不旨在以任何方式限制本发明的范围、可应用性或构造。而是，前文详细描述会为本领域技术人员提供用于实施示例性实施例或多个示例性实施例的便利指引图。应理解的是，可在元件的功能和结构上作出各种改变，而不会偏离在所附权利要求及其法律等同物中阐述的本发明的范围。

Claims (10)

1.一种制造具有集成WVT区域的燃料电池的集成MEA的方法，所述方法包括：
提供具有AA部分和与所述AA部分相邻的WVT部分的基底，所述基底为气体扩散介质基底；
将微孔层、含有催化剂的层以及第一膜离聚物层同时地涂覆到所述基底的所述AA部分和所述WVT部分，以形成具有AA区域和WVT区域的涂覆基底，其中，所述WVT区域为亲水区并被配置为通过该区域传递水分，所述AA区域为疏水区并被配置为防止水分通过该区域转移；
对通过所述基底和施涂于所述基底的微孔层、含有催化剂的层以及第一膜离聚物层形成的所述涂覆基底进行热处理；以及
将所述涂覆基底组装至配套涂覆基底。
2.根据权利要求1所述的制造具有集成WVT区域的燃料电池的集成MEA的方法，进一步包括将膜载体层施涂于所述第一膜离聚物层的步骤。
3.根据权利要求2所述的制造具有集成WVT区域的燃料电池的集成MEA的方法，进一步包括涂覆第二膜离聚物层的步骤。
4.根据权利要求3所述的制造具有集成WVT区域的燃料电池的集成MEA的方法，其中，所述含有催化剂的层包括仅仅施涂于所述AA区域的催化剂和施涂于所述WVT区域的混合的碳/离聚物溶液。
5.根据权利要求3所述的制造具有集成WVT区域的燃料电池的集成MEA的方法，其中，所述涂覆基底的所述AA区域包括基底层、所述微孔层、所述含有催化剂的层、所述第一膜离聚物层、所述膜载体层以及所述第二膜离聚物层。
6.根据权利要求3所述的制造具有集成WVT区域的燃料电池的集成MEA的方法，其中，所述涂覆基底的所述WVT区域包括基底层、所述微孔层、所述第一膜离聚物层、所述膜载体层以及所述第二膜离聚物层。
7.根据权利要求4所述的制造具有集成WVT区域的燃料电池的集成MEA的方法，其中，所述WVT区域包括基底层、所述微孔层、混合的碳/离聚物层、所述第一膜离聚物层、所述膜载体层以及所述第二膜离聚物层。
8.根据权利要求1所述的制造具有集成WVT区域的燃料电池的集成MEA的方法，其中，模涂覆工具将所述微孔层、所述含有催化剂的层以及所述第一膜离聚物层同时地施涂到所述基底上。
9.一种制造具有集成WVT区域的燃料电池的集成MEA的方法，所述方法包括：
提供具有AA部分和与所述AA部分相邻的WVT部分的基底，所述基底为气体扩散介质基底；
将微孔层涂覆到所述基底的所述AA部分和所述WVT部分上；
将催化剂层涂覆到所述微孔层上；
将第一离聚物层涂覆到所述催化剂层上，使所述微孔层、催化剂层以及第一离聚物层涂覆到所述基底的所述AA部分和所述WVT部分上，以形成具有AA区域和WVT区域的涂覆基底；
对通过所述基底和施涂于所述基底的层形成的涂覆基底进行热处理；以及
将所述涂覆基底组装至配套涂覆基底。
10.根据权利要求9所述的制造具有集成WVT区域的燃料电池的集成MEA的方法，进一步包括将膜载体层施涂于所述第一膜离聚物层的步骤。
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