CN111370711A - 制造膜电极组件的方法和使用该方法制造的膜电极组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造膜电极组件的方法和使用该方法制造的膜电极组件，其中制造膜电极组件的方法，包括以下步骤：形成叠层结构，该叠层结构包括离型膜、阳极层、多孔支撑层和阴极层；以及处理该叠层结构。该膜电极组件，包括：阴极层；阳极层；以及电解质膜层，电解质膜层设置在阴极层和阳极层之间，电解质膜层浸渍有阴极层和阳极层的离聚物。

Description

制造膜电极组件的方法和使用该方法制造的膜电极组件
技术领域
本发明涉及一种制造膜电极组件的方法和使用该方法制造的膜电极组件。
背景技术
通过将隔板(或双极板)设置在膜电极组件(MEA)的两个表面上形成燃料电池，多个燃料电池可连续布置以形成燃料电池堆。
具体地，作为燃料电池的主要部件的膜电极组件通常具有三层结构，包括：聚合物电解质层、形成在聚合物电解质层一个表面上的阳极催化剂电极层、以及形成在聚合物电解质层的相反表面上的阴极催化剂电极层。例如，在相关现有技术中，制造具有三层结构的膜电极组件的方法可包括贴花转印法(decal transfer method)和直接涂覆法(directcoating method)。
关于贴花转印法，通过在离型膜的表面上涂覆催化剂浆料并使该催化剂浆料干燥形成催化剂电极层，将形成有催化剂电极层的离型膜堆叠在聚合物电解质膜层的两个表面中的每个表面上，利用辊层压工艺(在高温高压下的热压缩)，将催化剂电极层转移并粘合(层压)到聚合物电解质膜层的两个表面中的每个表面，并且从催化剂电极层去除离型膜，从而制造具有三层结构的膜电极组件。贴花转印法可包括分别制备阴极、阳极和电解质膜层，并通过热压缩将这些部件彼此粘合。然而，贴花转印法具有以下缺点，例如，使用大量辅助材料来制备各组件，并且各种处理的产量不同，因此制造成本过高。另外，由于形成在各组件(阴极、阳极和电解质膜层)之间的界面会产生电阻，而这会引起燃料电池的性能和耐久性劣化。另外，为了节约成本和提高性能，会减小电解质膜层的厚度，而这样又会对电极与电解质膜层的粘合造成限制。
同时，关于直接涂覆法，将催化剂浆料直接涂覆在聚合物电解质膜层上，并且干燥以形成阳极，从聚合物电解质膜层的相反表面去除离型膜(或单独的膜)，并且将阴极直接涂覆在其上，并干燥。直接涂覆法包括将阴极和阳极直接应用到电解质层的两个表面。
然而，在直接涂覆法中，可通过水和包含在直接涂覆在上面的电极浆料中的有机溶剂，使电解质层快速膨胀。当通过干燥去除溶剂时，膨胀的离聚物的结构变得致密，这会使直接涂覆有电极浆料的部分与没有涂覆电极浆料的部分之间产生变形(即，开裂)。例如，当将电极涂覆在电解质膜层的一个表面上时，当将另一个电极涂覆在电解质膜层的相反表面上时，可去除离型膜。此时，电解质膜层会大大弯曲，因此使生产率劣化。另外，从催化剂电极层去除的离型膜，会因摩擦力作用而被推入起皱形式。此时，催化剂电极层的一部分可以不与离型膜完全分离，但是可保持涂覆在离型膜上，从而使转移到聚合物电解质膜层的催化剂电极层的表面在微观上发生变形。因而，利用由常规制造方法制造的膜电极组件的燃料电池的耐久性和性能，会因催化剂电极层的不完全转移和表面变形而劣化。
在该背景技术部分中公开的上面的信息仅用于增强对本发明的背景的理解，因而上面的信息可包含不形成在本国对于本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的优选方面提供一种方法，该方法可通过使膜电极组件中的层之间产生的界面最少，来提高膜电极组件的性能和耐久性。
本发明还提供一种方法，该方法可减少膜电极组件中电极开裂的发生，以及去除离型膜(或离型纸)时引起的电极的结构变形。
此外，本发明还提供一种方法，该方法可通过减少步骤的数量来提高生产率，改善燃料电池的性能，并且通过实现超薄膜型膜电极组件来降低制造成本。
然而，本发明实现的目的并不限于上面所提及的目的。通过以下的描述，本发明的目的会更加显而易见，并且利用在所附权利要求书中指出的元件及其组合来实现本发明的目的。
在一个方面中，本发明提供一种制造膜电极组件的方法，该方法包括以下步骤：形成叠层结构，该叠层结构包括离型膜、阳极层、多孔支撑层和阴极层；以及处理该叠层结构。形成叠层结构的步骤包括：提供离型膜；通过将第一电极浆料涂覆在离型膜的第一表面上形成阳极层；将多孔支撑层堆叠在阳极层的表面上；以及通过将第二电极浆料涂覆在多孔支撑层的表面上形成阴极层。
如本文使用的术语“离型膜”是指一种形成在膜中的材料，该膜具有例如大约1μm～50μm微米范围的厚度，并包括在制造过程完成时可部分或整体从最终产品去除或剥离的材料。合适的离型膜包括例如由以下材料制成或者包括以下的材料：由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚甲醛(POM)、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯四氟乙烯(EPFE)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)等。
如本文使用的术语“阳极层”是指包含燃料电池组件的活性阳极材料，且具有例如大约1μm～50μm微米范围厚度的层。合适的阳极层包括例如由以下活性阳极材料制成或包括以下的活性阳极材料：包括铂(Pt)的催化剂、基于全氟硫磺(PFSA)的离聚物和常规添加剂。
如本文使用的术语“阴极层”是指包括燃料电池组件的活性阴极材料、且具有例如大约1μm～50μm微米范围厚度的层。合适的阴极层包括例如由以下活性阴极材料制成或包括以下的活性阴极材料：包含铂(Pt)的催化剂、基于全氟硫磺(PFSA)的离聚物和常规添加剂。
如本文使用的术语“多孔支撑层”是指包含多孔结构(例如，多个孔)，且用作燃料电池组件中堆叠的层之间的支撑的层。多孔支撑层可被形成为具有例如大约1μm～50μm微米范围的厚度。合适的多孔支撑层包括例如膨体聚四氟乙烯(ePTFE)。
如本文使用的术语“多孔”是指为具有多个孔、空间或洞的结构，固体、液体或气体(例如，空气)可穿过该多个孔、空间或洞或通过多个孔、空间或洞保持(例如，浸渍)在物体(例如，层或基质)内。在某些实施例中，孔、多孔空间或洞可具有例如1nm～100nm的纳米级至例如1μm～10μm，或优选地1μm～5μm微米级范围内的尺寸。在某些实施例中，孔、多孔空间或洞可浸渍有尺寸小于孔尺寸的液体、气体或固体颗粒(例如，离聚物)。
叠层结构可被热处理。例如，通过干燥和/或热处理，对叠层结构进行处理。如本文使用的“热处理”是指将热量施加到处理区域，或者可选地，是指将热量施加到周围，以便直接施加热量，并且增加区域的温度。
阳极层和阴极层中的每个可包括催化剂和离聚物。例如，阳极层包括第一催化剂和第一离聚物，阴极层包括第二催化剂和第二离聚物。多孔支撑层具有包含多个孔的多孔结构，并且催化剂的尺寸大于多孔支撑层中的孔的尺寸。
将多孔支撑层堆叠在阳极层的表面上的步骤，包括以下步骤：以通过使阳极层的多孔支撑层相接触的表面上的第一离聚物浸渍到多孔支撑层中的孔内的方式，形成电解质支撑层。
形成阴极层的步骤，包括以下步骤：通过使阴极层的与电解质支撑层相接触的表面上的第二离聚物渗透到所述电解质支撑层中的孔内的方式，形成电解质膜层。
形成阴极层的步骤，通过将第二电极浆料以连续涂覆方式或图案涂覆方式涂覆在电解质支撑层的表面上来执行。
多孔支撑层适宜地包括膨体聚四氟乙烯(ePTFE)。
叠层结构可被干燥，然后被热处理。
该方法，还可包括以下步骤：在形成叠层结构之前，提供包含第一催化剂和离聚物的第一电极浆料。
在第一电极浆料中，第一离聚物的含量(wt％)等于或大于第一催化剂的含量(wt％)。
优选地，第一离聚物的含量(wt％)可为第一催化剂的含量(wt％)的1.5倍以上。
该方法，还包括以下步骤：在形成叠层结构之前，提供包含第二催化剂和第二离聚物的第二电极浆料。
在第二电极浆料中，第二离聚物的含量(wt％)等于或大于第二催化剂的含量(wt％)。
阳极层的第一离聚物和阴极层的第二离聚物包括相同类型的离聚物。
阳极层的尺寸大于阴极层的尺寸。
多孔支撑层的尺寸大于阳极层的尺寸。
在另一个方面，本发明提供一种利用上述方法制造的膜电极组件。例如，该膜电极组件包括：阴极层；阳极层；以及电解质膜层，该电解质膜层设置在阴极层和阳极层之间，并且该电解质膜层浸渍有阴极层和阳极层的离聚物。
优选地，膜电极组件的厚度范围为10～50μm。
下文讨论本发明的其它方面。
附图说明
下面参考在附图中示出的某些示例性的实施方式来详细描述本发明的上述和其它特征，仅仅以示例性的方式给出下文中的附图，因此其不构成对本发明的限制，并且其中：
图1是示出根据本发明的示例性实施例的制造示例性膜电极组件的示例性方法的流程图；
图2示出根据本发明的示例性实施例的制造示例性膜电极组件的示例性方法的过程；
图3是示出根据本发明的示例性实施例的制造示例性膜电极组件的示例性方法的流程图；
图4示出根据本发明的示例性实施例的制造示例性膜电极组件的示例性方法的过程；
图5是示出根据本发明的实施例的用于制造膜电极组件的示例性装置的视图；以及
图6A和图6B示出根据相关现有技术中的贴花转印法制造的膜电极组件中的电极。
应当理解，附图不一定按比例绘制，呈现示出本发明的基本原理的各种优选特征的稍微简化的表示。如本文公开的包括例如具体尺寸、取向、位置和形状的本发明的具体设计特征将部分由特定预期应用和使用环境确定。
在图中，在所有附图的几张图中，附图标记是指本发明的相同或等同部分。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细地描述本发明的示例性实施例。将从下面参考附图详细描述的实施例弄清楚本发明的优点和特征以及实现该优点和特征的方法。然而，本发明可以许多不同形式体现，并且不应当被解释为限制于本文阐述的实施例。相反地，提供这些实施例，使得本发明透彻而完整，并且将本发明的范围全面传达给本领域技术人员。本发明仅由权利要求书的范围限定。在整个说明书中，类似的附图标记是指类似的部件。
除非另外限定，否则本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与由本发明所属领域内的技术人员常常理解的相同含义。还将理解，诸如在常常使用的字典中定义的那些的术语应当被释义为具有与其在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想或过于正式的意义释义，除非本说明书中清楚定义。
本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文明确指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”等意图也包括复数形式。还应该理解的是，在本说明书中使用“包括”和/或“包含”等术语时，是意图说明存在该特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，而不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元素、组件、和/或其组合的存在或增加。如本文中所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。
应该理解，当诸如层、膜、区域或板等元件被称为“在另一个元件上”时，该元件可直接在另一个元件上，或者还可存在中间元件。应该理解，当诸如层、膜、区域或板等元件被称为“在另一个元件下”时，该元件可直接在另一个元件下，或者还可存在中间元件。
除非另外限定，本文使用的涉及成分的数量、反应条件、聚合物组合物和配方的所有数字、值和/或表达将被理解为在所有实例中由术语“约”修饰，因为此类数字本身是近似值，除别的之外，该近似值反映在获得此类值中遇到的各种测量不确定性。例如，“约”可被理解为在所规定的值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。
另外，在本文公开数值范围的情况下，此类范围是连续的，并且除非另外指明，否则包括从最小值到此类范围的最大值且包括此类范围的最大值的每个值。另外，在这样的范围是指整数的情况下，除非另外指明，否则包括从最小值到最大值且包括最大值的每个整数。
在本说明书的上下文中，在为参数规定范围的情况下，应该理解，参数包括在所规定范围内的所有值，包括所规定的范围的端点。例如，“5至10”的范围将被理解为包括值5、6、7、8、9和10，以及在所规定范围内的任何子范围，诸如包括6至10、7至10、6至9、7至9等的子范围，并且包括在所规定的范围的上下文中合理的整数之间的任何值和范围，诸如5.5、6.5、7.5、5.5至8.5和6.5至9等。例如，“10％至30％”的范围将被理解为包括值10％、11％、12％、13％、和多达30％且包括30％的所有整数、以及在所规定范围内的任何子范围，诸如包括10％至15％、12％至18％、20％至30％等的子范围，并且包括在所规定的范围的上下文中合理的整数之间的任何值和范围，诸如10.5％、15.5％、25.5％等。
在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。
图1是示出根据本发明的示例性实施例的制造示例性膜电极组件(MEA)的示例性方法的流程图，图2示出根据本发明的示例性实施例的制造膜电极组件的示例性方法的过程。
根据本发明的示例性实施例的制造膜电极组件的方法，可包括形成叠层结构的步骤(S10至S40)、以及处理(例如干燥和热处理)叠层结构的步骤(S50)。例如，形成叠层结构的步骤可包括制备离型膜的步骤(S10)，通过将第一电极浆料涂覆在离型膜的第一表面上形成阳极层的步骤(S20)，将多孔支撑层堆叠在阳极层的表面上的步骤(S30)，以及通过第二电极浆料涂覆在多孔支撑层的表面上形成阴极层的步骤(S40)。
与使用至少三个离型膜的常规膜电极组件制造方法不同，在根据本发明的示例性实施例的形成叠层结构的步骤S10至S40中，可以不在S10至S40的每个步骤中使用离型膜，而是仅在步骤S10中使用单个离型膜来形成叠层结构。因此，可简化制造过程，减少制造过程中所使用的辅助材料的量，并且可连续执行制造过程。
另外，在相关现有技术中，因为形成各层的过程彼此具有不同产量，因此使用层制造的膜电极组件的生产率较低。然而，根据本发明的各种示例性实施例的膜电极组件制造方法，包括更少的过程，因此表现出优越的生产率。
形成阴极层的步骤S40，可通过将第二电极浆料以连续涂覆方式或图案涂覆方式涂覆在多孔支撑层来执行，但并不局限于此。可使用各种其它涂覆方法中的任一种。
具体地，该方法可包括在形成叠层结构的步骤S10至S40之后干燥以去除溶剂。在相关现有技术中，常规的膜电极组件制造方法(例如，贴花转印法)包括在形成叠层结构的步骤中间执行的干燥过程。优选地，可在形成叠层结构(S20至S40)之后执行干燥过程(S50)。
因此，粘合过程(即，涂覆或堆叠)可不因包含在各层中的离聚物的收缩或膨胀而受阻碍。例如，在形成各层的步骤S20至S40中，由于层已经处于湿态，因此包含在各层中的离聚物可处于膨胀状态，因此，层可被封装(或堆叠)，而不生成界面电阻。相反地，在常规膜电极组件制造方法中，分散在各层中的离聚物处于以笨重形式膨胀的状态，并且当被干燥时以复杂链形式缠结。因此，当根据示例性实施例离聚物反复浸湿和干燥时，在各层之间的界面中会产生细小空间，因而增加界面电阻。
因此，当按常规方法对各层进行独立干燥时，每个层的结构会变形，在层之间会形成细小空间，并且可生成界面电阻，从而使膜电极组件的性能和耐久性劣化。然而，根据本发明的各种示例性实施例，由于叠层结构被干燥一次，而不需在每个层形成步骤中执行干燥，因此减少每个层的结构变形及其厚度方向中的电阻(即，界面电阻)，从而提高膜电极组件的性能和耐久性，因而可获得薄膜型或超薄膜型膜电极组件。此外，可减少每个过程中所使用的辅助材料的量，并且减少干燥步骤的数量，因而提高生产率。
特别地，相关现有技术中的常规直接涂覆法(或多层涂覆法)存在的问题在于，由于层的收缩和膨胀而造成层很可能开裂或起皱，然而根据本发明的各种示例性实施例的膜电极组件制造方法可基本减少开裂或起皱的产生。例如，由于通过涂覆处于流体状态的电极浆料形成的电极结构(S20和S40)一起干燥，因此电极结构可均匀收缩和膨胀，从而减少开裂或起皱的产生。因此，可提高膜电极组件的质量、性能和耐久性。
同时，根据本发明的示例性实施例的膜电极组件制造方法，在干燥和热处理叠层结构的步骤S50中，叠层结构可在干燥处理之后进行热处理。然而，本发明并不局限于此。可选地，叠层结构可同时干燥和热处理。热处理步骤可使叠层结构的层彼此充分粘合。
在下文中，参考图2详细描述根据本发明的示例性实施例的膜电极组件的制造方法的步骤。
如图2所示，在根据本发明示例性实施例的形成叠层结构的步骤(指图1中的S10至S40)中，阳极层220和阴极层240中的每一个可包括催化剂201和离聚物205，并且多孔支撑层300可具有多孔结构，在该多孔结构中可形成多个孔。例如，阳极层可包括第一催化剂和第一离聚物，并且阴极层可包括第二催化剂和第二离聚物。催化剂201(例如，第一催化剂和第二催化剂)的尺寸可大于多孔支撑层300中的孔的尺寸。
在离型膜100的一个表面上形成阳极层220的步骤S20之后，在将多孔支撑层300堆叠在阳极层220的表面上的步骤S30中，阳极层220的与多孔支撑层300接触的表面上的离聚物205可浸渍到多孔支撑层300中的孔内。具体地，由于多孔支撑层300设置在阳极层220上，因此阳极层220的离聚物205的一部分，在毛细现象作用下可被吸收到多孔支撑层300的孔中。如此，阳极层220的离聚物205可被浸渍，例如，阳极层220的第一离聚物可被浸渍。因此，可形成电解质支撑层310，阳极层220的离聚物205的一部分被浸渍到电解质支撑层310中。
离型膜100可包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚甲醛(POM)、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)或其组合。
同时，因为包含在阳极层220中的催化剂201的尺寸大于多孔支撑层300的孔的尺寸，因此催化剂201不能从阳极层220移动到多孔支撑层300中。
在形成阴极层240的步骤S40中，阴极层240的与电解质支撑层310接触的表面上的离聚物205，渗透到电解质支撑层310的孔中。具体地，阴极层240的离聚物205的一部分，通过表面张力被吸收到电解质支撑层310的孔中，使得阴极层240的离聚物205被渗透，例如，第二离聚物被渗透。因此，可形成电解质膜层320，阴极层240的离聚物205的一部分渗透到电解质膜层320中。如上所述，例如，第二电极浆料通过以连续涂覆方式或图案涂覆方式，涂覆在电解质支撑层310上，来执行形成阴极层的步骤S40。
没有渗透到电解质支撑层310中而是被留下的一部分离聚物205，可用作阴极层240和电解质膜层320之间的电极的离聚物。此外，由于包含在阴极层240中的催化剂201的尺寸大于电解质支撑层310中的孔的尺寸，因此催化剂201不能从阴极层240移动到电解质支撑层310中，而是仅仅离聚物205可选择性地渗透到电解质支撑层310中。
具体地，在形成阴极层240的步骤S40中渗透到电解质支撑层310中以形成电解质膜层320的离聚物205，可与浸渍到电解质支撑层310中的离聚物205相接触，该电解质支撑层310形成在将多孔支撑层300堆叠在阳极层220的表面上的步骤S30中。因此，多孔支撑层300中的孔可填充有源自阳极层220和阴极层240中的每一个的离聚物205，由此可形成浸渍有离聚物205的电解质膜层320。
同时，根据本发明的示例性实施例的多孔支撑层300可包括膨体聚四氟乙烯(ePTFE，expanded polytetrafluoroethylene)。因此，由于包含在根据上面描述的形成过程(即，图1中的S10至S40中的步骤)制备的叠层结构中的电解质膜层320可包括膨体聚四氟乙烯(ePTFE)，因此可增加膜电极组件的抗张强度，并且可防止其尺寸的变化。
同时，为了改善燃料电池的耐久性，多孔支撑层300、电解质支撑层310或电解质膜层320可不排除除膨体聚四氟乙烯(ePTFE)之外的材料。
图3是示出根据本发明另一个示例性实施例的膜电极组件(MEA)制造方法的流程图，图4示出根据本发明另一个示例性实施例的制造示例性膜电极组件的示例性方法的过程。为了便于描述，以下描述将关注于与参考图1和图2描述的实施例的差异。
如图3所示，该方法还包括，在根据本发明另一个实施例形成叠层结构的步骤S10至S40之前，通过混合和分散催化剂和离聚物制备电极浆料的步骤(S2)。制备电极浆料的步骤S2可包括制备第一电极浆料的步骤。可选地，在本发明的其它实施例中，制备电极浆料的步骤S2可包括制备第一电极浆料的步骤和制备第二电极浆料的步骤。然而，本发明并不限于此。例如，在形成叠层结构(S10至S40)之前，可通过混合和分散第一催化剂和第一离聚物制备第一电极浆料(S20)，并将多孔支撑层堆叠在阳极层的表面上(S30)。随后，将通过混合和分散第二催化剂和第二离聚物而制备的第二电极浆料涂覆在电解质支撑层，来形成阴极层(S40)。
与层的形成需要至少三个溶剂分散过程(该至少三个溶剂分散过程包括电极浆料的分散以形成阴极层、电极浆料的分散以形成阳极层、以及离聚物的分散以形成电解质膜层)的常规膜电极组件制造方法(例如，贴花转印法或直接涂覆法)不同，膜电极组件可通过两个溶剂分散过程(例如，第一电极浆料的制备和第二电极浆料的制备)来制造。因此，可减少步骤的数量，从而提高生产率。此外，可减少每个步骤中所使用的辅助材料的量，从而减少制造成本。
如图4所示，根据本发明另一示例性实施例的膜电极组件制造方法，还可包括在所制备的离型膜100的第一表面上形成阳极层220的步骤之前，通过混合和分散催化剂201(例如，第一催化剂)和离聚物205制备电极浆料的步骤(例如，第一催化剂，如在图3中被称作S2)。
优选地，在第一电极浆料中包括等于或大于第一催化剂201的含量(wt％)的第一离聚物205的含量(wt％)。例如，可形成阳极层220，以便与催化剂201相比，在第一电极浆料包含更大量的离聚物205。优选地，离聚物205(例如，第一离聚物)的含量(wt％)可以是催化剂201(例如，第一催化剂)的含量(wt％)的1.5倍以上。
具体地，第一电极浆料包括20wt％至50wt％，优选地40wt％至50wt％的量的第一催化剂，以及50wt％至80wt％，优选地50wt％至60wt％的量的第一离聚物。
如上所述，在本发明的其它实施例中，在形成叠层结构的步骤(S10至S40)之前，还可执行通过混合和分散催化剂201(例如，第二催化剂)和离聚物205(例如，第二离聚物)来制备第二电极浆料的步骤。
在第二电极浆料中，离聚物205(例如，第二离聚物)的含量(wt％)可等于或大于催化剂201(例如，第二催化剂)的含量(wt％)。优选地，在第二电极浆料中，离聚物205(例如，第二离聚物)的含量(摩尔)与催化剂201(例如，第二催化剂)的含量(摩尔)的比率可大约为1:1，或者与催化剂201(例如，第二催化剂)相比，可包括更大量的离聚物205(例如，第二离聚物)。
具体地，第二电极浆料包括20wt％至50wt％，优选地40wt％至50wt％的量的第二催化剂，以及50wt％至80wt％，优选地50wt％至60wt％的量的第二离聚物。
图5示出根据本发明的示例性实施例的用于制造膜电极组件的示例性装置。
如图5所示，如上所述，可利用根据本发明的各种示例性实施例的膜电极组件制造方法形成叠层结构，即，通过执行以下步骤：通过在所制备的离型膜100的第一表面上涂覆第一电极浆料形成阳极层220(图1中的S10和S20)，通过将多孔支撑层300(例如，ePTFE)堆叠在阳极层220的表面上(图1中的S30)形成电解质支撑层(图4中的310)，以及通过在电解质支撑层310的表面上涂覆第二电极浆料(图4中的320)形成阴极层240和电解质膜层(指图1中的S40)。随后，可将该叠层结构移动到干燥炉50中，使其在穿过干燥炉50时被干燥(图1中的S50)。此外，在干燥过程中，也可执行热处理，以使层220、240和320之间的粘合凝固(S50)。
因此，可使用更少量的离型膜100形成叠层结构220、240和320(S10)，而无需在S10至S40的每个步骤中都使用离型膜。因此，可简化制造过程，并且减少在每个过程中所使用的辅助材料的量。
此外，如图5所示，由于没必要单独制备各层220、240和320并将层彼此粘合，因此可连续执行膜电极组件的制造过程。
根据本发明的各种示例性实施例制造的膜电极组件包括阳极层220、阴极层240以及插置在阳极层220和阴极层240之间的电解质膜层320。
可使用第一电极浆料形成阳极层220。阳极层220包括第一催化剂、第一离聚物和诸如抗氧化剂等常规添加剂。第一催化剂包括碳负载Pt催化剂(Pt/C)。第一离聚物包括基于PFSA的离聚物。阳极层220包括20wt％至50wt％的量的第一催化剂、50wt％至80wt％的量的第一离聚物、以及少量添加剂。由于阳极层220包含大于20wt％的第一催化剂，因此阳极层220具有导电性。阳极层220将从外面供应的氢气分解成质子和电子。
可使用第二电极浆料形成阴极层240。阴极层240包括第二催化剂、第二离聚物和诸如抗氧化剂等常规添加剂。第二催化剂包括碳负载Pt催化剂(Pt/C)。第二离聚物包括基于PFSA的离聚物。阴极层240包括20wt％至50wt％的量的第二催化剂、处于50wt％至80wt％的量的第二离聚物、以及少量添加剂。由于阴极层240包括大于20wt％的第二催化剂，因此阴极层240具有导电性。阴极层240使从外面供应的氧气与从阳极层220输送的质子反应以产生水。
电解质膜层320是电绝缘的。电解质膜层320将由阳极层220产生的质子移动到阴极层240。
在根据本发明的实施例制造的膜电极组件中，阳极层220和阴极层240可包括相同类型的离聚物，例如，第一离聚物和第二离聚物可以是相同类型的离聚物。因此，电解质膜层320可包括与阳极层220和阴极层240的离聚物相同类型的离聚物。然而，为了提高膜电极组件的性能，不排除包括其它类型的离聚物。
此外，如图5所示，在根据本发明的各种示例性实施例制造的膜电极组件中，阳极层220可大于阴极层240，例如，阳极层的平面面积可大于阴极层的平面面积。多孔支撑层300(例如，ePTFE)可大于阳极层220，例如，多孔支撑层的平面面积可大于阳极层的平面面积。换言之，相对便宜且易于获得的多孔支撑层300(例如，ePTFE)，可被形成为具有最大面积(平面面积)，并且含有贵重金属(例如，铂(Pt))或稀土元素的阳极层220和阴极层240可被形成为较小。此外，通过将阴极层240形成为小于阳极层220，进一步减少使用的贵重金属(例如，铂(Pt))的量，因此可减少制造膜电极组件的成本。
此外，如上所述，在根据本发明的示例性实施例制造的膜电极组件中，由于在层220、240和320之间产生的界面最少，因此膜电极组件具有大约10μm～50μm范围内的总厚度。此外，可制造具有大约15μm或更小，具体地为大约10～15μm范围内的总厚度的薄膜型或超薄膜型膜电极组件。
图6A和图6B是示出根据常规贴花转印法制造的膜电极组件中的电极的视图。
图6A示出在根据贴花转印法涂覆电极层(阳极层或阴极层)之前的电解质膜层的表面。在图6A中，从左侧顺序示出分别具有10μm、15μm和20μm的厚度的电解质膜层的表面。
图6B示出通过贴花转印法，将电极层转移到图6A中所示的电解质膜层中的每一个的表面的结果。从图6A可确认出，产生了电极非转移区域(例如，浅色部分)。特别地，在电极被热压缩到具有10μm厚度的电解质膜层的表面上的实验中，大多数电极没有被粘合到电解质膜层。在电极被热压缩到具有15μm厚度的电解质膜层的表面上的实验中，大多数电极没有被粘合到电解质膜层，但是与将电极转移到具有10μm厚度的电解质膜层相比，电极的转移被稍微提高。因此，当电极被热压缩到具有20μm以上厚度的电解质膜层的表面上时，大多数电极被粘合到电解质膜层，而不产生非转移区域。因此，贴花转印法不能制造具有20μm以下厚度的膜电极组件。然而，根据本发明的各种示例性实施例的膜电极组件制造方法，可制造具有约15μm以下，优选地，约10μm以下厚度的膜电极组件，同时确保膜电极组件的性能。因此，可制造薄膜型或超薄膜型的膜电极组件。
因此，在常规贴花方法中，当各层被独立干燥时，每个层的结构发生变形，在层与层之间形成细小的空间，并且产生界面电阻。与此相反地，根据本发明的各种示例性制造方法，由于整个叠层结构被干燥，而无需在每个层形成步骤执行干燥步骤，因此减少每个层的结构变形及其厚度方向上的电阻(例如，界面电阻)，从而制造牢固粘合的膜电极组件。以该方式制造的膜电极组件可具有改善的性能和耐久性。此外，可减少干燥步骤的数量，从而可提高生产率。此外，可减少每个过程中所使用的辅助材料的量，从而取得经济效果，即制造成本减少。
因此，可使膜电极组件中的层之间产生的界面最少，并且包含在阳极层中的大量离聚物可被浸渍到电解质层中，从而改善燃料电池的性能和耐久性，从而实现超薄膜型膜电极组件。
此外，可减少在膜电极组件中的电极中产生的开裂，通过使在制造过程中使用的离型膜的量最少来减少制造成本，并且可减少在去除离型膜时引起的电极的结构变形。
此外，可通过步骤数量的减少和制造成本的减少来实现生产率的提高和能量节约，并且可通过超薄膜型膜电极组件的实现来实现燃料电池的性能的提高。
本领域技术人员应该知道，通过本发明可实现的效果不限于在上文中已经特别描述的那些，并且将从上面的详细描述更清楚理解本发明的其它效果。
已经参考本发明的各种示例性实施例详细描述本发明。然而，本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，本发明的这些实施例中还可进行变化，本发明的保护范围由所附权利要求书及其等同物来限定。

Claims (20)

1.一种制造膜电极组件的方法，包括以下步骤：
形成叠层结构，所述叠层结构包括离型膜、阳极层、多孔支撑层和阴极层；以及
处理所述叠层结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形成叠层结构的步骤包括：
提供所述离型膜；
通过将第一电极浆料涂覆在所述离型膜的第一表面上形成所述阳极层；
将所述多孔支撑层堆叠在所述阳极层的表面上；以及
通过将第二电极浆料涂覆在所述多孔支撑层的表面上形成所述阴极层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过干燥和/或热处理，对所述叠层结构进行处理。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阳极层包括第一催化剂和第一离聚物，并且所述阴极层包括第二催化剂和第二离聚物，
其中所述多孔支撑层具有包含多个孔的多孔结构，并且
其中所述第一催化剂或所述第二催化剂的尺寸大于所述多孔支撑层中的孔的尺寸。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，将所述多孔支撑层堆叠在所述阳极层的表面上的步骤，包括以下步骤：通过使所述阳极层的与所述多孔支撑层相接触的表面上的所述第一离聚物浸渍到所述多孔支撑层中的孔内的方式，形成电解质支撑层。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，形成所述阴极层的步骤，包括以下步骤：通过使所述阴极层的与所述电解质支撑层相接触的表面上的第二离聚物渗透到所述电解质支撑层中的孔内的方式，形成电解质膜层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，形成所述阴极层的步骤，通过将所述第二电极浆料以连续涂覆方式或图案涂覆方式涂覆在所述电解质支撑层的表面上来执行。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多孔支撑层包括膨体聚四氟乙烯(ePTFE)。
9.根据权利要求3所述的方法，其中，在处理所述叠层结构的步骤中，所述叠层结构被干燥，然后被热处理。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在形成所述叠层结构之前，提供包含所述第一催化剂和离聚物的第一电极浆料。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，通过混合所述催化剂和所述离聚物制备所述第一电极浆料。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述第一电极浆料中，所述离聚物的含量(wt％)等于或大于所述第一催化剂的含量(wt％)。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：在形成所述叠层结构之前，提供包含第二催化剂和第二离聚物的第二电极浆料。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过混合所述第二催化剂和所述第二离聚物制备所述第二电极浆料。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述第二电极浆料中，所述离聚物的含量(wt％)等于或大于所述第二催化剂的含量(wt％)。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述阳极层的第一离聚物和所述阴极层的第二离聚物包括相同类型的离聚物。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述阳极层的尺寸大于所述阴极层的尺寸。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述多孔支撑层的尺寸大于所述阳极层的尺寸。
19.一种利用根据权利要求1所述的方法制造的膜电极组件，包括：
阴极层；
阳极层；以及
电解质膜层，所述电解质膜层设置在所述阴极层和所述阳极层之间，所述电解质膜层浸渍有所述阴极层和所述阳极层的离聚物。
20.根据权利要求19所述的膜电极组件，其中，所述膜电极组件的厚度范围为10～50μm。
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