CN111095640B - 膜电极组件的制造方法及层叠体 - Google Patents

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Abstract

本说明书涉及一种膜电极组件的制造方法及层叠体。具体地，本说明书涉及一种如下的膜电极组件的制造方法及层叠体，该膜电极组件包括阳极、阴极以及设置在阳极和阴极之间的电解质膜，该层叠体是在膜电极组件的制造过程中层叠的中间体。

Description

膜电极组件的制造方法及层叠体
技术领域
本申请要求于2018年1月19日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2018-0007161的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
本说明书涉及一种膜电极组件的制造方法及层叠体。具体地，本说明书涉及一种如下的膜电极组件的制造方法及层叠体，该膜电极组件包括阳极、阴极以及设置在阳极与阴极之间的电解质膜，该层叠体是在膜电极组件的制造过程中被层叠的中间体。
背景技术
近来，由于预计诸如石油或煤炭的现有能源的耗尽，因此对能够替代这些能源的能量的需求正在增长，作为替代能源之一，对燃料电池、金属二次电池、液流电池等的关注已经成为焦点。
作为这些替代能源之一，由于燃料电池高效并且不排放诸如NOx和SOx的污染物，并且被使用的燃料充足，因此对燃料电池进行了积极的研究。
图1示意性地示出了燃料电池的电产生原理，在燃料电池中，产生电的最基本的单元是膜电极组件(MEA：membrane electrode assembly)，膜电极组件由电解质膜(M)以及在电解质膜(M)的两个表面上形成的阳极(A)和阴极(C)构成。参照示出燃料电池的电产生原理的图1，在阳极(A)中发生诸如氢或碳氢化合物(例如，甲醇和丁烷)的燃料(F)的氧化反应，其结果是，产生氢离子(H+)和电子(e-)，氢离子穿过电解质膜(M)移动到阴极(C)。在阴极(C)中，穿过电解质膜(M)转移的氢离子、诸如氧气的氧化剂(O)以及电子发生反应而生成水(W)。通过该反应，电子移动到外部电路。
发明内容
技术问题
本说明书被做出旨在提供一种膜电极组件的制造方法及层叠体。具体而言，本说明书被做出旨在提供一种如下的膜电极组件的制造方法及层叠体，该膜电极组件包括阳极、阴极以及设置在阳极与阴极之间的电解质膜，该层叠体是在膜电极组件的制造过程中层叠的中间体。
技术方案
本说明书提供一种膜电极组件的制造方法，该方法包括：通过在第一离型膜上形成第一电极催化剂层来制造第一电极膜；通过在第二离型膜上形成第二电极催化剂层来制造第二电极膜；制备电解质膜；将第一电极膜和第二电极膜设置在电解质膜的两个表面上，使得形成有第一电极催化剂层和第二电极催化剂层的表面分别面对电解质膜；通过在第一离型膜的形成有第一电极催化剂层的表面相反的表面上附加地设置具有非导热性的图案纸来形成层叠体；在将层叠体设置在具有导热性的两个转印基板之间之后，利用两个转印基板之间的压力将层叠体热粘合；以及通过从热粘合的层叠体中去除图案纸、第一离型膜和第二离型膜来形成组件。
此外，本说明书提供一种层叠体，该层叠体包括：第一电极膜，所述第一电极膜包括第一离型膜和设置在第一离型膜上的第一电极催化剂层；第二电极膜，所述第二电极膜包括第二离型膜和设置在第二离型膜上的第二电极催化剂层；电解质膜，所述电解质膜设置在第一电极膜与第二电极膜之间；以及图案纸，所述图案纸具有非导热性并且设置在第一离型膜上，其中，形成有第一电极催化剂层和第二电极催化剂层的表面设置成分别面对电解质膜，并且图案纸设置在第一离型膜的形成有第一电极催化剂层的表面相反的表面上。
有益效果
基于根据本说明书的示例性实施例的方法，可以在电极和电解质膜上形成图案以提高电极与电解质膜之间的界面接合。
基于根据本说明书的示例性实施例的方法，可以在电极与电解质膜上形成图案以增大电极与电解质膜之间的接触面积，从而提高性能。
附图说明
图1是示出燃料电池的电产生原理的示意图。
图2是示意性地示出燃料电池用膜电极组件的结构的图。
图3是示意性地示出燃料电池的示例的图。
图4是示意性地示出现有技术中的膜电极组件的层叠体的图。
图5是示意性地示出根据本说明书的膜电极组件的图案制造方法的图。
图6是示出根据本说明书的热粘合步骤的过程的图。
图7是示出在示例1和示例2中使用的图案纸的图。
图8是示出在示例3中使用的图案纸的图。
图9是根据示例1和比较例1的膜电极组件在100％相对湿度(RH)的条件下的性能的比较图。
图10是根据示例1和比较例1的膜电极组件在50％相对湿度(RH)的条件下的性能的比较图。
图11是根据示例1和比较例1的膜电极组件在32％相对湿度(RH)的条件下的性能的比较图。
图12是根据示例2和3以及比较例2的膜电极组件在100％相对湿度(RH)的条件下的性能的比较图。
图13是根据示例2和3以及比较例2的膜电极组件在50％相对湿度(RH)的条件下的性能的比较图。
图14是根据示例2和3以及比较例2的膜电极组件在32％相对湿度(RH)的条件下的性能的比较图。
图15是示出通过RH循环试验测量膜电极组件在燃料电池状态下的耐久性的图。
图16是根据示例2以及比较例3和4的膜电极组件在100％相对湿度(RH)的条件下的性能的比较图。
图17是根据示例2以及比较例3和4的膜电极组件在50％相对湿度(RH)的条件下的性能的比较图。
图18是根据示例2以及比较例3和4的膜电极组件在32％相对湿度(RH)的条件下的性能的比较图。
10a：缓冲基板
11a：平坦基板
20a：图案纸
30a：电极膜
31a：电极催化剂层
32a：离型膜
40a，100：电解质膜
60：层叠体
70a：转印基板
70：氧化剂供应部
80：燃料供应部
81：燃料箱
82：泵
200：阴极催化剂层
210：阳极催化剂层
400：阴极气体扩散层
410：阳极气体扩散层
500：阴极
510：阳极
具体实施方式
在下文中详细描述本说明书。
[膜电极组件的制造方法]
本说明书提供一种膜电极组件的制造方法，该方法包括：
通过在第一离型膜上形成第一电极催化剂层来制造第一电极膜；
通过在第二离型膜上形成第二电极催化剂层来制造第二电极膜；
制备电解质膜；
将第一电极膜和第二电极膜设置在电解质膜的两个表面上，使得形成有第一电极催化剂层和第二电极催化剂层的表面分别面对电解质膜；
通过在第一离型膜的形成有第一电极催化剂层的表面相反的表面上附加地设置具有非导热性的图案纸来形成层叠体；
在将层叠体设置在具有导热性的两个转印基板之间之后，利用两个转印基板之间的压力将层叠体热粘合；以及
通过从热粘合的层叠体中去除图案纸、第一离型膜和第二离型膜来形成组件。
[第一电极膜和第二电极膜的制造]
根据本说明书的膜电极组件的制造方法包括：通过在第一离型膜上形成第一电极催化剂层来制造第一电极膜；以及通过在第二离型膜上形成第二电极催化剂层来制造第二电极膜。
第一离型膜和第二离型膜的材料没有特别限制，只要该材料可以支撑将要在基材上形成的电极催化剂层并且在转印到电解质膜的期间具有良好的离型性质即可，可以采用本领域中使用的典型的离型膜。
第一电极催化剂层和第二电极催化剂层可以各自通过使用电极组成物形成，形成第一电极催化剂层和第二电极催化剂层的方法可以通过本领域中已知的典型方法执行，例如，可以使用诸如喷涂、流延法、丝网印刷、刮涂、逗号涂布或模具涂布(die coating)的方法。
根据电极催化剂层的类型和用途，电极组成物可以多种多样地被应用，并且电极组成物可以包括催化剂、聚合物离聚物以及溶剂。
催化剂的类型没有特别限制，可以采用本领域中使用的催化剂。例如，催化剂可以包括选自由铂、钌、锇、铂-钌合金、铂-锇合金、铂-钯合金以及铂-过渡金属合金组成的组中的金属颗粒。在这种情况下，金属颗粒可以是固体颗粒、中空金属颗粒、碗型颗粒、核-壳颗粒等。
催化剂不仅可以原样使用，而且还可以在被承载在碳基载体上的同时使用。
关于碳基载体，作为碳基材料，优选例可以是选自由石墨、炭黑、乙炔黑、超导电乙炔炭黑、科琴黑、活性炭、介孔碳、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米角、碳纳米环、碳纳米线、富勒烯(C60)和超级P黑组成的组中的任意一种、或其两种以上的混合物。
作为聚合物离聚物，可以代表性地使用Nafion离聚物或诸如磺化聚三氟苯乙烯的磺化聚合物。
对溶剂没有特别限制，可以采用本领域中使用的溶剂。例如，作为溶剂，可以优选地使用选自由水、丁醇、异丙醇、甲醇、乙醇、正丙醇、乙酸正丁酯、甘油和乙二醇组成的组中的任意一种、或其两种以上的混合物。
[电解质膜的制备]
根据本说明书的膜电极组件的制造方法可以包括制备电解质膜。
在电解质膜的制备中，可以购买外面制造的电解质膜，或者可以直接制造电解质膜。
电解质膜可以是包括具有离子导电聚合物的聚合物并且通过将离子导电聚合物浸渍在多孔载体的孔中制造出的增强膜、或者可以是不具有多孔载体而是通过使离子导电聚合物固化制造出的纯膜。
多孔载体的类型没有特别限制，但是可以是从诸如聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE))的聚烯烃类物质、以及诸如聚四氟乙烯(PTFE)的碳氟化合物中衍生的物质、或它们的混合物。此外，优选地，多孔载体的孔隙率为60％至90％，渗透性(空气500cc通过多孔载体的时间)为15秒至30秒。
离子导电聚合物没有特别限制，只要该聚合物是能够交换离子的物质即可，并且可以使用本领域中通常使用的离子导电聚合物。
离子导电聚合物可以是烃基聚合物、部分氟基聚合物或氟基聚合物。
烃基聚合物可以是不具有氟基团的烃基磺化聚合物，相反，氟基聚合物可以是利用氟基团而饱和的磺化聚合物，部分氟基聚合物可以是利用氟基团而未饱和的磺化聚合物。
离子导电聚合物可以是选自由全氟磺酸基聚合物、烃基聚合物、芳族砜基聚合物、芳族酮基聚合物、聚苯并咪唑基聚合物、聚苯乙烯基聚合物、聚酯基聚合物、聚酰亚胺基聚合物、聚偏二氟乙烯基聚合物、聚醚砜基聚合物、聚苯硫醚基聚合物、聚苯醚基聚合物、聚磷腈基聚合物、聚萘二甲酸乙二醇酯基聚合物、聚酯基聚合物、掺杂的聚苯并咪唑基聚合物、聚醚酮基聚合物、聚醚醚酮基聚合物、聚苯基喹喔啉基聚合物、聚砜基聚合物、聚吡咯基聚合物和聚苯胺基聚合物组成的组中的一种或两种以上聚合物。该聚合物可以被磺化而使用，并且可以是单共聚物、交替共聚物、无规共聚物、嵌段共聚物、多嵌段共聚物或接枝共聚物，但不限于此。
离子导电聚合物可以是具有阳离子导电性的聚合物，并且可以包括例如全氟磺酸基聚合物、磺化聚醚醚酮(sPEEK)、磺化聚醚酮(sPEK)、聚(偏二氟乙烯)-接枝-聚(苯乙烯磺酸)(PVDF-g-PSSA)和磺化聚(芴基醚酮)中的至少一种。
[第一电极膜和第二电极膜的布置]
根据本说明书的膜电极组件的制造方法可以包括将第一电极膜和第二电极膜设置在电解质膜的两个表面上。在这种情况下，优选地，形成有第一电极催化剂层和第二电极催化剂层的表面设置成分别面对电解质膜。
[层叠体的形成]
如图4所示，在现有技术中，在膜电极组件的制造过程中不具有将图案赋予层叠体的单独的单元。
根据本说明书的膜电极组件的制造方法可以包括通过在第一离型膜的形成有第一电极催化剂层的表面相反的表面上附加地设置具有非导热性的图案纸来形成层叠体。图5示出了附加地包含有图案纸的层叠体的结构。
在层叠体的形成中，通过在将层叠体热粘合之前附加地设置图案纸，可以通过简单的工艺将图案赋予层叠体。
在层叠体的形成中，当将电极催化剂层热粘合到电解质膜的两个表面上时，通过将薄的图案纸仅插入到一侧的电极催化剂层上，基于图案纸的图案不仅形成在层叠有图案纸的一侧的电极催化剂层上，而且还形成在未层叠有电解质膜和图案纸的另一侧的电极催化剂层上。
被图案纸赋予图案的层叠体的优点在于，与相邻层的界面粘合提高。具体地，该层叠体的优点在于，第一电极催化剂层与电解质膜之间的界面处的粘合以及第二电极催化剂层与电解质膜之间的界面处的粘合均得到提高。
被图案纸赋予图案的层叠体的优点在于，与相邻层的接触面积增大。具体地，该层叠体的优点在于，第一电极催化剂层与电解质膜之间的界面处的接触面积以及第二电极催化剂层与电解质膜之间的界面处的接触面积均增大。
[图案纸]
对图案纸的厚度没有特别限制，只要该厚度不妨碍用于热粘合的热从转印基板转移到电极催化剂层和电解质膜即可，并且可以为10nm以上且1mm以下，具体地200μm以上且800μm以下，优选地400μm以上且700μm以下。
根据本说明书的示例性实施例，图案纸可以包括基材和设置在基材上的图案。
基材没有特别限制，只要基材具有非导热性即可，例如可以是布、无纺布、塑料膜或纸。
图案可包括闭合图形的开口和包围该开口的图案线。
用于形成图案线的组成物是与基材相同的材料，或者包含聚合物，在是聚合物的情况下，聚合物的含量可以是基于组成物的总重量的1％至50％。
对在基材上形成图案线的方法没有特别限制，但是可以通过辊印刷(rollprinting)、喷墨法、编织图案(布)等形成图案线。
图案线的线宽没有特别限制，但是可以为100nm以上且1mm以下、1μm以上且500μm以下、以及10μm以上且200μm以下。
图案线可以是连续的图案线或不连续的图案线，并且可以是线性形状、曲线、锯齿形等。优选地，图案线可以是连续的线性图案。
图案可以是规则图案、不规则图案或它们的混合图案，并且可以优选地是规则图案。例如，图案可以是网格图案。
图案可以在开口中进一步包括突起。突起的横截面可以是圆形或多边形，并且突起的尺寸可以为50nm以上且200μm以下。在这种情况下，突起的尺寸是指在横截面上的最长的两点之间的距离。
根据本说明书的另一示例性实施例，图案纸可以由在基材中残留连续的图案并且切掉剩余部分的开口构成。
根据本说明书的又一示例性实施例，图案纸可以优选地为具有编织图案的布，并且具体地可以为具有编织图案的聚酯布。在这种情况下，图案的线宽和形式与上述图案的定义相同。
图案可以是规则图案、不规则图案或它们的混合图案，并且可以优选地为规则图案。例如，图案可以是网格图案。
图案的间隔没有特别限制，可以为50μm以上且3mm以下、500μm以上且1.5mm以下、800μm以上且1mm以下。
[热粘合步骤]
根据本说明书的膜电极组件的制造方法可以包括将层叠体热粘合。具体地，层叠体的热粘合可以是将层叠体设置在具有导热性的两个转印基板之间，然后利用两个转印基板之间的压力将层叠体热粘合。
在层叠体的热粘合中，可以在两个转印基板之间附加地包括平坦基板和缓冲基板。具体地，可以具有转印基板/缓冲基板/平坦基板/层叠体/平坦基板/缓冲基板/转印基板的结构。
转印基板可以是具有导热性的金属基板，其材料没有特别限制，可以是铝、不锈钢、钛合金等。
转印基板是设置在热粘合装置中的部件，并且要热粘合的层叠体被设置和插入在设置于热粘合装置中的转印基板之间，然后热粘合装置被驱动从而缩窄两个转印基板之间的间隙的同时将压力施加于插入的层叠体。
转印基板的温度没有特别限制，只要第一电极催化剂层和第二电极催化剂层可以被接合到电解质膜上即可，例如可以为100℃以上且150℃以下。
转印基板的压力没有特别限制，只要第一电极催化剂层和第二电极催化剂层可以被接合到电解质膜上即可，例如可以为0.5吨以上且3.0吨以下。
为了防止由于对缓冲基板、图案纸等使用布材料而产生褶皱，使用平坦基板，平坦基板的材料没有特别限制，但可以是玻璃纤维膜。图6示出了根据本说明书的热粘合步骤的过程。
缓冲基板用于防止膜电极组件被图案损坏，缓冲基板的材料没有特别限制，但可以是诸如聚酯的布材料。
[组件的形成]
根据本说明书的膜电极组件的制造方法可以包括通过从热粘合的层叠体中去除图案纸、第一离型膜和第二离型膜来形成组件。
从热粘合的层叠体中去除图案纸、第一离型膜和第二离型膜的方法没有特别限制。
从热粘合的层叠体中去除图案纸、第一离型膜和第二离型膜得到的组件处于在电解质膜的两个表面上设置有第一电极催化剂层和第二电极催化剂层的状态。
根据本说明书的膜电极组件的制造方法可以进一步包括在所制造的组件的第一电极催化剂层和第二电极催化剂层的每一者上进一步形成气体扩散层。
[层叠体]
本说明书提供包括第一电极膜、第二电极膜、电解质膜和图案纸的层叠体。
关于上述的膜电极组件的制造方法的描述可以应用于对于层叠体的描述。
[第一电极膜/第二电极膜]
第一电极膜可以包括第一离型膜以及设置在第一离型膜上的第一电极催化剂层。
第二电极膜可以包括第二离型膜以及设置在第二离型膜上的第二电极催化剂层。
第一电极催化剂层和第二电极催化剂层中的一者可以用作阳极的催化剂层或阴极的催化剂层，另一者可以用作未被选择作为阳极的催化剂层和阴极的催化剂层的电极催化剂层。在这种情况下，在阳极的催化剂层中发生燃料的氧化反应，在阴极的催化剂层中发生氧化剂的还原反应。
在本说明书的示例性实施例中，第一电极催化剂层和第二电极催化剂层中的每一者可以具有3μm以上且30μm以下的厚度。在这种情况下，阳极的催化剂层和阴极的催化剂层的厚度可以彼此相同或不同。
[电解质膜]
电解质膜可以设置在第一电极膜与第二电极膜之间。
形成有第一电极催化剂层和第二电极催化剂层的表面可以设置成分别面对电解质膜。
[图案纸]
图案纸可以设置在第一离型膜上。具体地，图案纸可以设置在第一离型膜的形成有第一电极催化剂层的表面相反的表面上。
图案纸可以具有非导热性。在本说明书中，非导热性可以包括完全没有导热性或稍微具有导热性的情况。具体地，非导热性是指导热率为2W/mK以下，更具体地，导热率为0至0.5W/m K。
[膜电极组件/电池]
本说明书提供一种电化学电池，包括：阳极；阴极；以及设置在阳极与阴极之间的电解质膜，其中，电化学电池包括通过膜电极组件的制造方法制造的膜电极组件。
阴极是指在电池放电时接收电子并被还原的电极，并且可以是在电池充电时被氧化并释放电子的阳极(氧化电极)。阳极是指在电池放电时被氧化并释放电子的电极，并且可以是在电池充电时接收电子并被还原的阴极(还原电极)。
电化学电池是指利用化学反应的电池，并且其类型没有特别限制，只要电池包括通过制造方法制造的膜电极组件即可，例如，电化学电池可以是燃料电池、金属二次电池或液流电池。
本说明书提供一种包括电化学电池作为单位电池的电化学电池模块。
电化学电池模块可以通过将双极板插入根据本申请的一个示例性实施例的单元电池之间来堆叠电池而形成。
电池模块可以具体用作电动车辆、混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆或电力储存装置的电源。
本说明书提供一种通过膜电极组件的制造方法制造的膜电极组件。
本说明书提供一种包括该膜电极组件的燃料电池。
图2示意性地示出了用于燃料电池的膜电极组件的结构，用于燃料电池的膜电极组件可以包括电解质膜100、以及夹着电解质膜100而彼此相对的阴极500和阳极510。在阴极中，可以从电解质膜100依次设置阴极催化剂层200和阴极气体扩散层400，在阳极中，可以从电解质膜100依次设置阳极催化剂层210和阳极气体扩散层410。
图3示意性地示出了燃料电池的结构，燃料电池包括层叠体60、氧化剂供应部70以及燃料供应部80。
层叠体60包括一个上述的膜电极组件或两个以上的膜电极组件，当包括两个以上的膜电极组件时，层叠体60包括设置于膜电极组件之间的分隔件。分隔件用于防止膜电极组件彼此电连接，并且用于将从外部供应的燃料和氧化剂传输到膜电极组件。
氧化剂供应部70用于将氧化剂供应到层叠体60。作为氧化剂，代表性地使用氧气，并且可以通过将氧气或空气注入氧化剂供应部70来使用氧气或空气。
燃料供应部80用于将燃料供应到层叠体60，并且可以由储存燃料的燃料箱81以及将储存在燃料箱81中的燃料供应到层叠体60的泵82组成。作为燃料，可以使用气态或液态的氢或碳氢燃料。碳氢燃料的示例可以包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或天然气。
[实施例]
在下文中，将通过示例更详细地描述本说明书。然而，提供以下示例仅用于举例说明本说明书，而不旨在限制本说明书。
[示例]
[制备例1]
电解质膜1的制造
通过将氢醌磺酸钾盐、4,4’-二氟二苯甲酮和3,5-双(4-氟苯甲酰基)苯基(4-氟苯基)甲酮放入配备有迪安-斯达克分水器(dean-stark trap)和冷凝器的1L的圆底烧瓶中，并在二甲基亚砜(DMSO)和苯溶剂中使用碳酸钾作为催化剂，从而在氮气氛下制备出反应混合物。接下来，在150℃以下的温度下进一步搅拌反应混合物以在苯回流的同时除去反应浴中的水，反应温度升高至200℃以下，并且得到的产物被进行缩聚反应。接下来，在反应物的温度降低至室温并且通过向其中进一步添加DMSO而稀释产物之后，将稀释后的产物注入到过量的甲醇中，并且使共聚物与溶剂分离。之后，通过在真空炉中干燥使用水过滤并获得的共聚物来制造支链磺化多嵌段共聚物，在该支链磺化多嵌段共聚物中疏水性嵌段和亲水性嵌段通过化学键被交替地连结。在这种情况下，将制造出的磺化多嵌段共聚物称为第一聚合物。通过用涂覆器进行棒涂来涂布第一聚合物以形成电解质膜1。
[制备例2]
电解质膜2的制造
通过将孔隙率为60％至70％的聚烯烃类多孔载体浸渍在包含上述的第一聚合物的溶液中来制造电解质膜2。
[示例1]
将离聚物(产品名称：Nafion D2021)、一元醇和Pt/C催化剂(产品名称：Tanaka10V50E)混合/分散，通过喷射涂布法用混合物涂布电极催化剂层，并烘干电极催化剂层，使得在厚度为200μm的基材(PTFE)上形成厚度为10μm的电极催化剂层，从而制造电极膜。
在将电极膜设置于在制备例1中制造出的电解质膜1的两个表面上之后，通过将图7中的图案纸仅层叠在电极膜一侧上的基材上来制造层叠体。在将平坦基板(玻璃纤维)和缓冲基板(聚酯纤维布)层叠在层叠体的两个表面上之后，将基板设置在热压的两个转印基板之间，并通过在140℃下施加2.7吨的压力进行热粘合。
之后，通过去除图案纸、以及电极膜的基材来制造电极催化剂层被转印到电解质膜的组件。图案纸具有0.5mm的厚度并且由聚酯材料形成，图案被编织在基材上并且具有图7中的图案形式。图案具有约200μm的线厚度和1mm的线间隔。在这种情况下，热导率为0.1W/m K至0.4W/m K。
[示例2]
除了使用制备例2中制备的电解质膜2作为电解质膜而不使用电解质膜1作为电解质膜以外，以与示例1中相同的方式制造组件。
[示例3]
除了使用图8中的图案纸而不使用图7中的图案纸以外，与示例2中相同的方式制造组件。
图案纸具有0.5mm的厚度并且由聚酯材料形成，并且图案被编织在基材上并且具有图8中的图案形式。图案具有约200μm的线厚度和1mm的线间隔。在这种情况下，热导率为0.1W/m K至0.4W/m K。
[比较例1]
除了在没有图案纸的情况下对基板进行热粘合以外，以与示例1中相同的方式制造组件。
[比较例2]
除了在没有图案纸的情况下对基板进行热粘合以外，以与示例2中相同的方式制造组件。
[比较例3]
在示例1中制造出电极膜之后，通过压印法(stamp method)(通过布置图案并像压印一样压印图案来形成图案)，使用与形成电极催化剂层的组成物相同的组成物，在电极催化剂层上形成与图7中的图案纸的图案相同的图案。
在将形成有图案的电极膜设置于在制备例2中制造出的电解质膜2的两个表面上之后，将电极膜设置在热压的两个转印基板之间，并通过在140℃下对其施加2.7吨的压力来进行热粘合。
之后，通过去除电极膜的基材来制造电极催化剂层被转印到电解质膜的组件。
[比较例4]
制造出在示例1中制造出的电极膜被设置于在制备例1中制造的电解质膜1的两个表面上的层叠体。将具有与图7中的图案相同的图案的铝箔附接到热压的两个转印基板上，然后将层叠体设置在转印基板之间，然后通过在140℃下对其施加2.7吨的压力进行热粘合。
之后，通过去除电极膜的基材，制造出电极催化剂层被转印到电解质膜的组件。
[实验例1]
电流密度的测量
根据相对湿度，比较例1和2以及示例1至3的结果示于图9至图14中，特别地，在下表1中示出了基于比较例1的在0.6V下的电流密度的比较结果。
[表1]
Figure GDA0004012327860000141
通过图9至图14和表1可以看出，使用图案的膜电极组件在现有的RH 100％或RH50％下具有相似的性能，但是在低湿度区域中性能提高。这意味着，即使在膜电极组件中存在少量水分的情况下，通过接触面积的增大和转印过程中接触阻力的减小，离子也有效地移动，其结果是性能提高。
根据相对湿度，比较例3和4以及示例2的结果示于图16至图18中，特别地，在下表2中示出了基于比较例4的在0.6V下的电流密度的比较结果。
[表2]
Figure GDA0004012327860000151
通过图16至图18和表2可以看出，图案置于电极中的比较例3中的性能比使用铝箔的比较例4中的性能更高，但是，与比较例4相比，示例2中的性能提高了37％至68％，特别地，可以确认的是，湿度越低，性能的提高越大。由此，可以看出，使用图案纸的膜电极组件的性能比基于其他方法的性能提高更多。性能上的提高是通过接触面积的增大以及转印期间由于图案使得接触阻力减小而可以获得的结果。
[实验例2]
相对湿度循环实验(RH循环测试)
在这种情况下，RH循环测量膜电极组件(MEA)在燃料电池状态下的耐久性，并且通过在80℃的条件下以0.95标准升/分钟(slm：standard liter per minute)的流量将氢气和氮气注入到阳极中，以1.0slm的流量将氮气注入到阴极中，并以2分钟的间隔切换加湿和不加湿，来测量耐久性。
通过膜电极组件的RH循环，可以确认优异的机械耐久性，并且高RH循环意味着膜电极组件的耐久性高。在这种情况下，RH循环是指直至发生了对于膜电极组件太强以至于膜电极组件不能被使用的损坏的循环的循环次数。
为了测量在RH循环过程中膜电极组件是否损坏，使用了线性扫描伏安法(LSV)，并且，通过将氢气以0.2slm的流量注入阳极并将氮气以0.2slm的流量注入阴极中，线性扫描伏安法在0.1至0.4V(2mV/s)下测量氢的交叉(crossover)。
当在RH循环中氢的交叉值增加时，可以看出，膜电极组件被损坏，并且可以根据氢的交叉值增加的程度确定膜电极组件被损坏的程度。
结果示于图15中。
通过图15可以看出，膜电极组件是具有满足DOE标准(美国能源部的标准，在20000次循环时2mA/cm2以下的交叉值)的耐久性的膜电极组件，考虑到示例3中的膜电极组件以及通过使用图案纸进行了转印的比较例2中的膜电极组件的结果彼此相似，可以确认的是，由于膜电极组件几乎未被图案损坏，因此耐久性没有受到影响。

Claims (7)

1.一种膜电极组件的制造方法，所述方法包括：
通过在第一离型膜上形成第一电极催化剂层来制造第一电极膜；
通过在第二离型膜上形成第二电极催化剂层来制造第二电极膜；
制备电解质膜；
将所述第一电极膜和所述第二电极膜设置在所述电解质膜的两个表面上，使得形成有所述第一电极催化剂层和所述第二电极催化剂层的表面分别面对所述电解质膜；
通过在所述第一离型膜的形成有所述第一电极催化剂层的表面相对的表面上附加地设置具有非导热性的具有编织图案的布来形成层叠体；
在将所述层叠体设置在具有导热性的两个转印基板之间之后，利用所述两个转印基板之间的压力将所述层叠体热粘合；以及
通过从热粘合的所述层叠体中去除具有所述编织图案的所述布、所述第一离型膜和所述第二离型膜来形成所述膜电极组件。
2.根据权利要求1所述的膜电极组件的制造方法，其中，具有所述编织图案的所述布的厚度为10μm以上且1mm以下。
3.根据权利要求1所述的膜电极组件的制造方法，其中，所述编织图案的间隔为100μm以上且3mm以下。
4.根据权利要求1所述的膜电极组件的制造方法，其中，所述编织图案是网格图案。
5.根据权利要求1所述的膜电极组件的制造方法，其中，所述编织图案包括闭合图形的开口和包围所述开口的图案线。
6.根据权利要求5所述的膜电极组件的制造方法，其中，所述编织图案在所述开口中进一步包括突起。
7.一种层叠体，包括：
第一电极膜，所述第一电极膜包括第一离型膜和设置在所述第一离型膜上的第一电极催化剂层；
第二电极膜，所述第二电极膜包括第二离型膜和设置在所述第二离型膜上的第二电极催化剂层；
电解质膜，所述电解质膜设置在所述第一电极膜与所述第二电极膜之间；以及
具有编织图案的布，具有所述编织图案的所述布具有非导热性并且设置在所述第一离型膜上，
其中，形成有所述第一电极催化剂层和所述第二电极催化剂层的表面设置成分别面对所述电解质膜，并且
具有所述编织图案的所述布设置在所述第一离型膜的形成有所述第一电极催化剂层的表面相对的表面上。
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