CN114583185A - 制造发电组件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造发电组件的方法，包括：制备包括中心部和周缘部的电解质膜；向电解质膜的周缘部提供接触构件；在电解质膜的第一表面和第二表面中的至少之一的中心部上提供第一气体扩散电极和第二体扩散电极中的至少一个，第一气体扩散电极包括第一气体扩散层和第一电极层，第二气体扩散电极包括第二气体扩散层的反应部和第二电极层；以及在接触构件上提供第一气体扩散层和第二气体扩散层中的各气体扩散层的气体扩散部。

Description

制造发电组件的方法
技术领域
本发明涉及制造发电组件(EGA，Electricity-Generating Assembly)的方法，其中气体扩散层(GDL)未受损，并且即使在具有阶梯部的结构中也不发生翘曲现象。
背景技术
目前，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)是最常见的用作汽车的燃料电池。为了使这种聚合物电解质膜燃料电池在汽车的各种驾驶条件下正常地表现出至少数十千瓦的输出性能，这种聚合物电解质膜燃料电池必须能够在宽电流密度范围内稳定运行。
燃料电池以堆叠的形式使用，其中电池单元被层叠和组装，以达到所需功率水平。电池单元包括双极板或隔板，双极板或隔板包括气体扩散层(GDL)和层装在膜电极组件(MEA)外侧的垫圈(即，在阴极和阳极所在的外侧上)，以及在气体扩散层外侧上设置的流动路径(流场)，并且通过流动路径供应反应气体(作为燃料的氢气和作为氧化剂的氧气或空气)并流过冷却水。数百个这样的电池单元层叠后，用于支撑电池单元的端板被粘附于最外侧。
燃料电池中用于产生电的电化学反应发生在膜电极组件中，膜电极组件包括电解质膜100和阳极、阴极。在燃料电池中的电化学反应中，在氢气供应至阳极(燃料电池的氧化电极)之后，氢气因氢氧化反应(HOR)分解成氢离子(质子)和电子，氢离子通过膜移动到阴极(即还原电极)，而电子通过外部电路移动到阴极，如下列反应方程式[1]所示。氢离子和电子与从阴极外供应的氧气反应，以产生电和热量，并同时产生水作为氧还原反应(ORR)反应的副产品，如反应方程式[2]所示。
H2→2H++2e－，Eo＝0.000V(vs.SHE) [1]
1/2O2+2H++2e－→H2O，Eo＝1.229V(vs.SHE) [2]
其中，Eo是标准电极电位，SHE是标准氢电极。
施加在气体扩散层(GDL)上的电极称为气体扩散电极(GDE)。当发电组件(EGA)以均匀涂抹在GDL上的电极的形式制造时，关键是使与电解质膜接触的电极数量与施加在其上的电极数量相近。
制造GDE的常规方法主要是常规涂布系统(例如槽模涂布机、刮刀涂布机、喷涂工艺、丝网印刷工艺、刮刀工艺、凹印工艺和槽模涂布机)或新方法(如导电涂层和静电涂层)。也就是说，当使用GDE制造EGA时，传统上，制造仅限于电解质膜和电极都是平的并且没有单独的突出结构以使表面接合更容易的情况。
因此，当在不容易执行表面粘合的状态下制造包括具有阶梯部的结构的EGA时，在应用GDE方法的情况下，存在GDE中的GDL由于阶梯部而损坏或发生翘曲现象的问题。
本背景部分中包含的信息仅用于便于对本发明的一般背景的理解，不能视为承认或任何形式的建议该信息构成本领域技术人员已知的现有技术。
发明内容
本发明是在考虑到相关技术中遇到的问题的情况下进行的，本发明的目的如下。
本发明的目的是提供一种制造发电组件(EGA)的方法，其包括在形成阶梯部的接触构件之间提供气体扩散电极(GDE)，然后提供气体扩散层(GDL)的气体扩散部使气体扩散部与GDE中GDL的反应部接触。在该方法中，GDL没有损坏，并且即使在具有阶梯部的结构中也不会发生翘曲现象。
本发明的目的不限于上述内容，并且将能够通过以下描述清楚地理解，并且能够通过权利要求及其组合中描述的方式实现。
本发明的一个方面提供一种制造发电组件(EGA)的方法，电组件包括电解质膜、电解质膜第一表面上的第一电极、第一电极上的第一气体扩散层(GDL)、电解质膜第二表面上的第二电极和第二电极上的第二GDL，该方法包括以下步骤：制备电解质膜，电解质膜包括中心部和从中心部横向延伸的周缘部；向电解质膜的周缘部提供接触构件；在电解质膜第一表面的中心部和第二表面的中心部中的至少一个中心部上，提供第一气体扩散电极(GDE)的气体扩散电极(包括第一气体扩散层的反应部和第一电极层)和第二GDE(包括第二GDL的反应部和第二电极层)中的至少一个，使气体扩散电极与接触构件的侧面接触；以及在接触构件上提供GDL的气体扩散部，使气体扩散部与GDL反应部的侧面接触。
制造EGA的方法可包括：制备电解质膜，电解质膜包括中心部和从中心部横向延伸的周缘部；向电解质膜的第一表面的中心部提供第一电极；向电解质膜的周缘部提供接触构件；在电解质膜的第二表面的中心部上提供第二GDE(包括第二电极和第二气体扩散层的反应部)；在接触构件上提供第二气体扩散层的气体扩散部，使气体扩散部与第二气体扩散层反应部的侧面接触；以及在第一电极上提供第一气体扩散层。
接触构件可被提供至电解质膜的第二表面的周缘部，或可以被提供至电解质膜第二表面的周缘部和与第一电极侧面接触的、电解质膜的第一表面的周缘部。
接触构件可包括从子垫圈和粘合片组成的组中选择的一种或多种。
第二气体扩散电极可在以0.5到5MPa执行加压的同时提供。
第二气体扩散层的气体扩散部可在以0.5到5MPa执行加压的同时提供。
加压后，第二气体扩散层的气体扩散部的厚度等于第二气体扩散层的反应部的厚度。
第二气体扩散层的反应部可以比第二气体扩散层的气体扩散部具有更低的粗糙度或更少的孔。
第一气体扩散层的厚度可以小于或等于第二气体扩散层的厚度。
第一气体扩散层包括的孔可少于或等于第二气体扩散层中的孔。
制造EGA的方法可包括：制备电解质膜，电解质膜包括中心部和从中心部横向延伸的周缘部；向电解质膜的周缘部提供接触部件；在电解质膜的第一表面的中心部上提供第一GDE(包括第一气体扩散层的反应部和第一电极层)，使第一气体扩散电极与接触构件的侧面接触，在电解质膜的第二表面的中心部上提供第二GDE(包括第二气体扩散层的反应部和第二电极层)，使第二气体扩散电极与接触构件的侧面接触；在接触构件上提供第一气体扩散层的气体扩散部，使气体扩散部与第一气体扩散层反应部的侧面接触；以及在接触构件上提供第二气体扩散层的气体扩散部，使气体扩散部与第二气体扩散层的反应部的侧面接触。
接触构件可提供至电解质膜的第一表面的周缘部和电解质膜的第二表面的周缘部。
接触构件可包括从子垫圈和粘合片组成的组中选择的一个或多个。
第一气体扩散电极和第二气体扩散电极可在以0.5到5MPa执行加压的同时提供。
第一气体扩散层的扩散部分和第二气体扩散层的气体扩散部可在以0.5到5MPa执行加压的同时提供。
可提供第一气体扩散层的气体扩散部和第二气体扩散层的气体扩散部，使加压后第一气体扩散层的气体扩散部的厚度等于第一气体扩散层反应部的厚度，并使加压后第二气体扩散层的气体扩散部的厚度等于第二气体扩散层反应部的厚度。
第一气体扩散层的反应部相比第一气体扩散层的气体扩散部，可具有更低的粗糙度和更少的孔，并且第二气体扩散层的反应部相比第二气体扩散层的气体扩散部，可具有更低的粗糙度和更少的孔隙。
第一气体扩散层的厚度可小于或等于第二气体扩散层的厚度。
第一气体扩散层包括的孔可少于或等于第二气体扩散层中的孔。
根据本发明另一实施例的制造发电组件(EGA)的方法的优点在于，即使在接触构件具有阶梯部结构的情况下(即，以单独的子垫圈或粘合片的形式)，气体扩散电极(GDE)该工艺适用于此，并且克服了仅在一个表面上使用GDE工艺的限制。因此，即使应用GDE工艺，也能够通过最小化键合压力的限制来改善制造的EGA的性能，从而降低电解质膜和电极之间的接触电阻，并且还能够通过最小化电解质膜的暴露部分来提高EGA的耐久性。因此，根据本发明的制造EGA的方法的优点在于气体扩散层(GDL)没有损坏，并且即使在具有阶梯部的结构中也不会发生翘曲现象，并且GDE的电极和电解质膜之间没有空隙的界面的接触面积增加，这使得GDE中GDL的表面压力均匀，并使气体以均匀的流速流入每个电池单元。
本发明的效果不限于上述内容，应理解为包括可从以下描述中合理预期的所有效果。
附图说明
图1是根据本发明制造发电组件(EGA)的过程中使用的气体扩散层(GDL)的横截面图；
图2是示出根据本发明的实施方式的制造EGA的过程的流程图；
图3是示出根据图3的流程图的制造EGA的过程的每个步骤的横截面图；
图4是示出根据本发明的实施方式的设置到电解质膜的第二表面的周缘部分的接触构件的横截面图；
图5是示出根据本公开的另一实施方式的制造EGA的过程的流程图；和
图6是示出根据图5的流程图的制造EGA的过程的每个步骤的横截面图。
具体实施方式
通过结合附图采取的以下优选实施方式，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点。然而，本发明不限于本文公开的实施方式，并且可以修改为不同的形式。提供这些实施方式以充分的解释本发明并将本发明的精神充分传递给本领域技术人员。
在所有附图中，相同的附图标记将指代相同或类似的元件。为了本发明的清晰性，结构尺寸被描述为大于实际尺寸。应当理解，尽管本文中可以使用诸如“第一”、“第二”等术语来描述各种元件，但这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。例如，下面讨论的“第一”元素可以称为“第二”元素，而不脱离本公开的范围。同样，“第二”元素也可以称为“第一”元素。如本文所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式也旨在包括复数形式。
应进一步理解，当在本说明书中使用术语“包括”、“包含”、“具有”等时，规定了所述特征、整体、步骤、操作、元件、组件或其组合的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件或其组合的的存在或添加。此外，应当理解，当诸如层、膜、区域或片之类的元件被称为在另一元件“上”时，它可以直接在另一元件上，或者可以在其之间存在中间元件。类似地，当诸如层、膜、区域或片材之类的元件被称为在另一元件之“下”时，它可以直接在另一元件之下，或者可以在其之间存在中间元件。
在本说明书中，当描述变量的范围时，将理解变量包括包含所述范围内描述的端点在内的所有值。例如，“5到10”的范围将理解为包括任何子范围，例如6到10、7到10、6到9、7到9等，以及5、6、7、8、9和10的单个值，并且还将理解为包括所述范围内的有效整数之间的任何值，例如5.5、6.5、7.5、5.5到8.5、6.5到9，诸如此类。例如，“10％到30％”的范围将被理解为包括子范围，例如10％到15％、12％到18％、20％到30％等，以及包括10％、11％、12％、13％的值和高达30％的类似值的所有整数，并且还将被理解为包括所述范围内的有效整数之间的任何值，例如10.5％、15.5％、25.5％等。
通常，使用在同一层中包括反应部和扩散部的气体扩散层(GDL)，但存在的问题是，在制造包含GDL的发电组件(EGA)时，扩散部受损，并且在具有阶梯部的结构中发生翘曲现象。
图1示出了根据本发明制造发电组件(EGA)的过程中使用的气体扩散层(GDL)的横截面图。
参考图1，本发明描述了一种制造发电组件(EGA)的方法，其中GDL的反应部位于中心部，GDL的气体扩散部别位于GDL的反应部周围，并且GDL的反应部和GDL的气体扩散部被不同地压制，使得气体扩散层(GDL)不被损坏并且即使在具有阶梯部的结构中也不会发生翘曲现象，从而实现本发明。
根据本发明的实施方式的制造发电组件(EGA)10的方法中，发电组件包括电解质膜、设置在电解质膜的第一表面上的第一电极、设置在第一电极上的第一气体扩散层(GDL)，设置在电解质膜的第二表面上的第二电极，以及设置在第二电极上的第二气体扩散层(GDL)。该方法包括：制备电解质膜，该电解质膜包括中心部和从中心部横向延伸的周缘部，向电解质膜的周缘部提供接触构件，在电解质膜的第一表面的中心部和第二表面的中心部的至少一个中心部上，提供第一气体扩散电极(GDE)和第二气体扩散电极(GDE)中的至少一个，第一气体扩散电极包括第一GDL的反应部和第一电极层，第二气体扩散电极包括第二GDL的反应部和第二电极层，使气体扩散层与接触构件的侧面接触，以及在接触构件上提供GDL的气体扩散部，使得气体扩散部与GDL的反应部的侧面接触。
图2是示出根据本发明实施例的制造EGA的过程的流程图。图3是示出根据图2的流程图的制造EGA的过程的每个步骤的横截面图。据此，在根据本发明实施例的制造EGA的方法中，发电组件包括电解质膜100、电解质膜100第一表面上提供的第一电极210、在第一电极210上提供的第一气体扩散层(GDL)220、在电解质膜100第二表面上提供的第二电极410、和在第二电极410上提供的第二气体扩散层(GDL)420。该方法包括：在步骤S11制备电解质膜100，该电解质膜100包括从中心部A和从中心部A横向延伸的周缘部B；在步骤S12，向电解质膜100的第一表面的中心部A提供第一电极210；在步骤S13，向电解质膜100的周缘部B提供接触构件300；在步骤S14，在电解质膜100的第二表面的中心部A上提供第二气体扩散电极(GDE)400，其包括第二电极410和第二GDL的反应部421，使第二气体扩散电极与接触构件300的侧面接触；在步骤S15，在接触构件300上提供第二GDL的气体扩散部422；以及在步骤S16，在第一电极210上提供第一GDL 220。
将参考图2和3对每个步骤进行详细说明。
在步骤S11制备电解质膜100的步骤是制备包括中心部A和从中心部A横向延伸的周缘部B的电解质膜100的步骤。电解质膜100的中心部A可以是设置第一电极210和气体扩散电极(GDE)的区域，周缘部B可以是设置接触构件300的区域。
根据本发明的实施方式的电解质膜100没有特殊限制，只要该电解质膜用作将在第一电极210中生成的氢离子传输到第二电极410的传输路径即可。电解质膜100可以是其中浸渍离聚物的多孔膜。增强层可包括可用于本发明的常用多孔隙膜，例如，从聚四氟乙烯(PTFE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯并恶唑(PBO)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚酰亚胺(PI)组成的组中选择的一种或多种，并且不局限于仅包括特定类型。优选地，增强层可以是具有高机械强度的PTFE，以提高燃料电池的耐久性。
在步骤S12提供第一电极210的步骤是向电解质膜100的第一表面的中心部A提供第一电极210的步骤。所提供的第一电极210可包括电解质溶液和携带金属催化剂的碳载体复合物(碳载体复合物包括携带金属催化剂的碳载体)。电解质溶液中的电解质可以是氟基聚合物，包括其中溶解硫酸基化合物、水和醇(alcohol)的全氟碳聚合物，并且金属催化剂可以是铂催化剂。
在S13步骤提供接触构件300的步骤是向电解质膜100的周缘部B提供接触构件300的步骤。如图3所示，接触构件300可同时提供至电解质膜100的第二表面的周缘部B和与第一电极210的侧面接触的、电解质膜100的第一表面的周缘部B。进一步地，如图4所示，接触构件300可提供至电解质膜100的第二表面的周缘部B。也即，接触构件300可以设置在电解质膜100的周缘部B，从而可以在电解质膜100的第二表面的周缘部B的周围形成阶梯状部分。
根据本发明的实施方式，接触构件300可包括从子垫圈和粘合片组成的组中选择的一个或多个。
对于子垫圈没有特殊限制，只要子垫圈增强了所要提供的电解质膜100的机械强度和刚度，并且与第一电极210和第二电极410一起暴露在电解质膜100的第一、第二表面上，以便电极与反应气体接触即可。子垫圈可以设置在电解质膜100的第二表面的周缘部B上和与第一电极210的侧面接触的、电解质膜100的第一表面的外周缘部B上。子垫圈可包括可用于本发明的常用材料，例如惰性和尺寸稳定的材料。具体而言，子垫圈可包括从PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PCT(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二酯)和
Figure BDA0003283961500000091
(聚酰亚胺)组成的组中选择的一种或多种，且不局限于包括特定类型。优选地，子垫圈可包括具有优异耐热性、机械强度和刚度的PEN。
粘合片可用于适当地粘合GDL与MEA或电池框架与MEA而不留空隙，从而保持机械强度并确保气密性。粘合片可设置在电解质膜100的第二表面的周缘部B。粘合片可包括可用于本发明的常用材料，例如，从有机材料、丙烯酸树脂(acryl)、硅酮、金属硅酮、聚酯、聚氨酯、EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)和PVAc(聚乙酸乙烯酯)中选择的一种或多种，并且不局限于包括特定类型。粘合片可包括具有优异耐热性和耐水性的聚氨酯。
在步骤S14提供第二气体扩散电极(GDE)的步骤是提供第二气体扩散电极(GDE)400的步骤，其包括第二电极410和第二气体扩散层(GDL)的反应部421，第二气体扩散电极(GDE)400在电解质膜100第二表面的中心部A上，使得第二气体扩散电极与接触构件300的侧面接触。
第二GDL 420没有特殊限制，只要第二GDL是确保气体扩散性和导电性的多孔气体扩散层即可。根据本发明的实施方式，第二GDL 420可包括可用于本发明的常用GDL，例如，从碳纸、炭黑、碳布、碳纸、碳无纺布、碳网(金属网)和泡沫金属组成的组中选择的一个或多个。可向其添加PTFE(聚四氟乙烯)和氧化铈，且第二GDL不局限于包括特定类型。第二GDL可包括具有优良导电性和可加工性的炭黑、改善GDL防水性的PTFE和防止MEA(膜电极组件)的电解质膜氧化用以提升耐久性的氧化铈。第二GDL 420可以GDE的形式进行制造，使用从碳纸、炭黑、碳布、碳纸、碳无纺布、碳网(金属网)和泡沫金属组成的组中选择的一个或多个，并且其形状不局限于特定形状。第二电极410和第二GDL 420可以使用各种工艺(例如喷涂工艺、刮刀工艺、凹印工艺、槽模涂覆工艺、丝网印刷工艺和3D印刷工艺)，制造第二GDE 400的工艺不局限于特定工艺。
根据本发明实施方式的第二GDL 420可包括反应部421和气体扩散422，GDE 400中包括的第二GDL 420区域可优选为第二GDL的反应部421。
第二GDE 400可提供于电解质膜100第二表面的中心部A上，使第二GDE与接触构件300的侧面接触。第二GDE可在以0.5至5MPa的压力进行压制的同时提供。当以低于0.5MPa的压力加压GDE时，存在由于界面粘合强度差，性能降低的弊端。当以高于5MPa的压力向GDE加压时，存在由于GDL的孔隙数量减少，耐用性降低的弊端。
在提供根据本发明的实施方式的第二GDE 400时，提供包括第二GDL的反应部421的GDE 400，以避免接触构件300形成阶梯部。因此，与传统技术相比，具有更小的尺寸的第二GDE 400接合到电解质膜100，从而提供相对更强的粘合压力。
在步骤S15提供第二GDL的气体扩散部422的步骤是在设置于电解质膜100的第二表面的周缘部B上的接触构件300上提供第二GDL的气体扩散部422的步骤。
第二GDL的气体扩散部422可设置于接触构件300上，使得气体扩散部位于与GDE中的第二GDL的反应部421的侧面接触的位置。由于第二GDE设置在电解质膜100的第二表面的中心部A上，同时以0.5至5MPa的压力进行加压，因此第二GDE中的第二GDL的反应部421可由于加压而变薄。因此，所提供的第二GDL的气体扩散部422可以具有与与气体扩散部接触的第二GDL的反应部421相同的厚度。因而，参考图3，可在以0.5到5MPa执行加压的同时提供第二GDL的气体扩散部422。进一步地，可提供气体扩散部以让其具有与第二GDL反应部421相同的厚度，而非提供第二GDL的气体扩散部422。因此，参考图3，可以在以0.5到5MPa进行压制时提供第二GDL的气体扩散部422。此外，可以提供具有与第二GDL的反应部421相同厚度的气体扩散部，而不是通过加压第二GDL的气体扩散部422。因此，包括在GDE中的第二GDL的反应部421的厚度和第二GDL的气体扩散部422的厚度可以调整为彼此相同。第二GDL的反应部421和气体扩散部422可以单独提供，因此它们之间的厚度可能略有差异。然而，由于第二GDL 420具有相对较高的粗糙度，因此厚度上的微小差异几乎不会产生新的空隙。即使形成了新的空隙，这些空隙也可作为第二GDL 420的自然裂缝，从而用作排水路径，因此这些空隙不会对EGA的性能或机械强度产生不利影响。即，在根据本发明的制造EGA的方法中，尽管通过提供接触构件300形成了阶梯部，但在提供第二GDE之后，在接触构件300上提供第二GDL的气体扩散部422，由此克服了GDE工艺不能应用于具有阶梯部的结构的限制。即使在应用GDE过程时，也可以通过最小化接合压力的限制来降低电解质膜100和电极之间的接触电阻。此外，气体扩散层(GDL)没有受损，没有发生翘曲现象，并且GDE的电极和电解质膜之间没有空隙的界面的接触面积增加，这使得GDE中GDL的表面压力均匀，并使气体以均匀的流速流入每个单元。
本发明中，粗糙度可以例如通过使用AFM(原子力显微镜)或纳米压头设备刮擦表面进行测量，或者可以使用3D扫描仪设备测定表面粗糙度。在3D扫描仪中，可以通过Ra值(平均粗糙度)比较表面粗糙度。
通常，粗糙度可以使用Ra值进行比较。当Ra值为5以下时，通常表示粗糙度低，而当Ra值为10以上时，则认为粗糙度高。
第二GDL的气体扩散部422可设置在接触构件300上，使得气体扩散部经放置与第二GDE 400中第二GDL的反应部421的侧面接触。第二GDL的气体扩散部422的类型可与GDE中第二GDL的反应部421的类型相同或不同。在第二GDL的气体扩散部422与第二GDE 400中第二GDL的反应部421类型彼此不同时，第二GDL的反应部421可以比第二GDL的气体扩散部422具有更低的粗糙度或更少的孔。即，由于使用了比第二GDL的气体扩散部422具有更低的粗糙度或更少的孔的第二GDL的反应部421，GDE工艺易于执行，这是因为GDE中包括的第二GDL的反应部421容易被第二电极410涂覆。
在步骤S16提供第一GDL的步骤是在第一电极210上提供第一GDL 220的步骤。在第一电极210上提供的第一GDL 220可与第二GDL 420相同或不同。当根据本发明的实施方式的第一GDL 220与第二GDL 420不同时，第一电极210为阳极，第二电极410为阴极，因此氢的气体分布高于氧的气体分布。因此，第一GDL 220的厚度可小于或等于第二GDL 420的厚度，且第一GDL 220中的孔的数量可小于或等于第二GDL420中的孔的数量。即，优点在于与第一和第二电极接触的第一GDL 220和第二GDL 420的厚度和孔隙能够基于根据第一电极210和第二电极410的反应气体的类型进行适当调整。
因而，根据本发明的实施方式的制造EGA的方法中，即使在接触构件300具有阶梯部结构的情况下(即，以单独子垫圈或粘合片的形式)，气体扩散电极(GDE)工艺也适用。因此，即使在应用GDE工艺时，也能通过最小化接合压力的限制，来改善所制造的EGA的性能，从而降低电解质膜100和电极之间的接触电阻，并且还能通过最小化电解质膜100的暴露部分来提高EGA的耐久性。因而，根据本发明的制造发电组件(EGA)的方法优点在于，即使在具有阶梯部的结构中，气体扩散层(GDL)也不会损坏且不会发生翘曲现象，并且GDE的电极和电解质膜之间没有空隙的界面的接触面积增加，这使得GDE中GDL的表面压力均匀，并使气体以均匀的流速流入每个电池。
图5是示出根据本发明的另一实施方式的制造EGA的过程的流程图。图6是示出根据图5的流程图制造发电组件(EGA)20的过程的每个步骤的横截面图。在制造MEA的方法中，MEA包括电解质膜100、在电解质膜100的第一表面上提供的第一电极210、在第一电极210上提供的第一气体扩散层(GDL)220、在电解质膜100的第二表面上提供的第二电极410、和在第二电极410上提供的第二气体扩散层(GDL)420。此方法包括：在步骤S21制备电解质膜100，该电介质膜包括中心部A和从中心部A横向延伸的周缘部B；在步骤S22向电解质膜100的周缘部B提供接触构件300；在步骤S23，在电解质膜100的第一表面的中心部A上提供第一气体扩散电极(GDE)200(其包括第一GDL的反应部221和第一电极210的层)，使得第一气体扩散电极与接触构件300的侧面接触，在电解质膜100的第二表面的中心部A上提供第二气体扩散电极(GDE)400(其包括第二GDL的反应部421和第二电极410的层)，使得第二气体扩散电极与接触构件300的侧面接触；以及，在步骤S24，在接触构件300上提供第一GDL的气体扩散部222，使得气体扩散部与第一GDL的反应部221的侧面接触，并在接触构件300上提供第二GDL的气体扩散部422，使得气体扩散部与第二GDL的反应部421的侧面接触。
将参考图5和6对每个步骤进行详细说明。
在步骤S21制备电解质膜100的步骤是制备包括中心部A和从中心部A横向延伸的周缘部B的电解质膜100的步骤。电解质膜100的中心部A可以是设置第一气体扩散电极(GDE)200和第二气体扩散电极(GDE)400的区域，周缘部B可以是设置接触构件300的区域。根据本发明的另一实施方式的电解质膜没有特殊限制，只要电解质膜100用作将在第一电极210中生成的氢离子传输到第二电极410的传输路径即可。电解质膜100可与“在步骤S11制备电解质膜100的步骤”中的电解质膜100相同或不同。
在步骤S22提供接触构件300的步骤是向电解质膜100的周缘部B提供接触构件300的步骤。如图5所示，接触构件300可提供至电解质膜100的第一表面的周缘部B和电解质膜100的第二表面的周缘部B。即，可向电解质膜100的周缘部B提供接触构件300，从而可以在电解质膜100的第一和第二表面的周缘部B的周围形成阶梯状部分。
根据本发明的另一实施方式的接触构件300可包括从子垫圈和粘合片组成的组中选择的一个或多个。只要子垫圈增强了所要提供的电解质膜100的机械强度和刚度，并且子垫圈与第一电极210和第二电极410一起暴露在电解质膜100的第一表面和第二表面，使得电极与反应气体接触，对于子垫圈就没有特别限制。子垫圈可与“在步骤S13提供接触构件300的步骤"中的子垫圈相同或不同。而且，粘合片可用于适当地粘合GDL与MEA或电池框架与MEA而不留空隙，从而保持机械强度并确保气密性。粘合片可与“在步骤S13提供接触构件300的步骤”中的粘合片相同或不同。
在步骤S23提供第一气体扩散电极(GDE)和第二气体扩散电极(GDE)的步骤是在电解质膜100的第一表面的中心部A上提供第一GDE 200(其包括第一GDL的反应部221和第一电极210的层，使得第一GDE与接触构件300的侧面接触)，并在电解质膜100的第二表面的中心部A上提供第二GDE 400(其包括第二GDL的反应部421和第二电极410的层，使得第二GDE与接触构件300的侧面接触)。
根据本发明另一实施方式的第一电极210和第二电极410中的每一个可以是阴极或阳极，但不限于特定电极。第一电极210可以是阳极，第二电极410可以是阴极。
根据本发明另一实施方式的第一GDL 220和第二GDL 420不受特别限制，只要第一和第二GDL是确保气体扩散率和导电性的多孔气体扩散层，并且可以与“在步骤S14提供气体扩散电极(GDE)的步骤”中的第二GDL 420相同或不同。
根据本发明另一实施方式的第一GDL 220和第二GDL 420可包括各自的反应部221和421及各自的气体扩散222和422。包括在第一GDE 200中的第一GDL的区域可以是第一GDL的反应部221。包括在第二GDE 400中的第二GDL的区域可以是第二GDL的反应部421。
根据本发明另一实施方式的在第一电极210上提供的第一GDL220可与在第二电极410上提供的第二GDL 420相同或不同。当第一GDL 220与第二GDL 420不同时，第一电极210可以是阳极，而第二电极410可以是阴极，使得氢的气体分布高于氧的气体分布。因此，第一GDL 220的厚度可以小于或等于第二GDL 420的厚度，第一GDL 220中的孔的数量可小于或等于第二GDL 420中的孔的数量。也就是说，优点在于与第一和第二电极接触的第一GDL220和第二GDL 420的厚度和孔隙能够基于根据第一电极210和第二电极410的反应气体类型进行适当调整。
因而，在根据本发明的实施方式的制造EGA的方法中，即使在接触构件300具有阶梯部结构的情况下(即，以单独子垫圈或粘合片的形式)，气体扩散电极(GDE)工艺也适用。因此，即使在应用GDE工艺时，也能通过最小化接合压力的限制，来改善所制造的EGA的性能，从而降低电解质膜100和电极之间的接触电阻，并且还能通过最小化电解质膜100的暴露部分来提高EGA的耐久性。因而，根据本发明的制造发电组件(EGA)的方法优点在于，即使在具有阶梯部的结构中，气体扩散层(GDL)也不会损坏且不会发生翘曲现象，并且GDE的电极和电解质膜之间没有空隙的界面的接触面积增加，这使得GDE中GDL的表面压力均匀，并使气体以均匀的流速流入每个电池。
第一GDE 200可设置于电解质膜100的第一表面的中心部A上，使得第一GDE与接触构件300的侧面接触。第二GDE 400可设置于电解质膜100的第二表面的中心部A上，使得第二GDE与接触构件300的侧面接触。第一GDE 200和第二GDE 400可在以0.5到5MPa执行加压的同时提供。当GDE以低于0.5MPa加压时，存在由于界面粘合强度差，性能降低的弊端。在GDE以高于5MPa加压时，存在由于GDL的孔隙数量减少，耐用性降低的弊端。
根据本发明另一实施方式，在提供第一GDE 200和第二GDE 400时，提供第一GDE200(包括第一GDL的反应部221)和第二GDE 400(包括第二GDL的反应部421)，以避免接触构件300形成阶梯部。因此，与传统技术相比，具有更小的尺寸的第二GDE 400接合到电解质膜100，从而提供相对更强的粘合压力。
在步骤S24提供第一GDL的气体扩散部222和提供第二GDL的气体扩散部422的步骤是在接触构件300上提供第一GDL的气体扩散部222，使得气体扩散部222与第一GDL的反应部221的侧面接触，并在接触构件300上提供第二GDL的气体扩散部422，使得气体扩散部422与第二GDL的反应部421的侧面接触。
根据本发明另一实施方式，第一GDL和第二GDL的气体扩散部可设置于接触构件300上，使得气体扩散部与第一GDE 200中第一GDL的反应部的侧面以及第二GDE 400中第二GDL的反应部421的侧面接触。由于根据本发明另一实施方式的第一GDE 200和第二GDE 400在以0.5到5MPa执行加压的同时被设置在电解质膜100第一表面的中心部A及其第二表面的中心部A上，第一GDE 200中第一GDL的反应部221和第二GDE 400中第二GDL的反应部421可因加压而变薄。因此，所提供的第一GDL的气体扩散部222可以具有与经放置与气体扩散部222接触的第一GDL的反应部221相同的厚度，并且第二GDL的气体扩散部422具有与经放置与气体扩散部422接触的第二GDL的反应部421相同的厚度。因而，参考图5，根据本发明另一实施方式，第一GDL的气体扩散部222和第二GDL的气体扩散部422可以在以0.5到5MPa执行加压的同时提供。此外，替代通过加压提供第一GDL的气体扩散部222和第二GDL的气体扩散部422，可以提供具有与第一GDL的反应部221相同厚度的第一GDL的气体扩散部222，以及可提供具有与第二GDL的反应部421相同厚度的第二GDL的气体扩散部422。因此，第一GDE 200中包括的第一GDL的反应部221的厚度和第一GDL的气体扩散部222的厚度可调整为彼此相同，并且第二GDE 400中包括的第二GDL的反应部421的厚度和第二GDL的气体扩散部422的厚度可调整为彼此相同。第一GDL的反应部221、第二GDL的反应部421、第一GDL的气体扩散部222和第二GDL的气体扩散部可单独提供，因此它们之间的厚度可能略有差异。然而，由于第一GDL和第二GDL具有相对较高的粗糙度，厚度上的微小差异几乎不会产生新的空隙。即使形成新的空隙，空隙也可作为第一GDL和第二GDL的自然裂缝，从而用作排水路径，因此这些空隙不会对EGA的性能或机械强度产生不利影响。即，在根据本发明的制造EGA的方法中，尽管通过提供接触构件300形成了阶梯部，但在提供第一GDE 200和第二GDE 400后，在接触构件300上设置第一GDL的气体扩散部222及第二GDL的气体扩散部422，由此克服了GDE工艺不能应用于具有阶梯部的结构的限制。即使在应用GDE过程时，也可以通过最小化接合压力的限制来降低电解质膜100和电极之间的接触电阻。此外，气体扩散层(GDL)没有受损，没有发生翘曲现象，并且GDE的电极和电解质膜之间没有空隙的界面的接触面积增加，这使得GDE中GDL的表面压力均匀，并使气体以均匀的流速流入每个单元。
第一GDL的气体扩散部222可设置在接触构件300上，第二GDL的气体扩散部422可设置在接触构件300上，使得气体扩散部222经放置与第一GDE 200中第二GDL的反应部421的侧面接触，并使得气体扩散部422经放置与第二GDE 400中第二GDL的反应部421的侧面接触。第一GDL的气体扩散部222的类型可与第一GDE 200中第一GDL的反应部221的类型相同或不同，第二GDL的气体扩散部422的类型可与第二GDE 400中第二GDL的反应部421的类型相同或不同。当第一GDL的气体扩散部222和第一GDE 200中第一GDL的反应部221的类型彼此不同时，第一GDL中的反应部221相比第一GDL的气体扩散部222，可具有更低的粗糙度或更少的孔。当第二GDL的气体扩散部422和GDE中第二GDL的反应部421的类型彼此不同时，第二GDL中的反应部421相比第二GDL的气体扩散部422，可具有更低的粗糙度或更少的孔。即，由于使用了相比第一GDL的气体扩散部222具有更低的粗糙度或更少的孔的第一GDL的反应部221并且使用了由于相比第二GDL的气体扩散部422具有更低的粗糙度或更少的孔的第二GDL的反应部421，GDE工艺易于执行，这是因为第一GDE 200中包括的第一GDL的反应部221容易被第一电极210涂覆，第二GDE 400中包括的第二GDL的反应部421容易被第二电极410涂覆。
因而，根据本发明另一实施方式的制造EGA的方法优点在于，即使在接触构件300具有阶梯部结构的情况下(即，以单独子垫圈或粘合片的形式)，气体扩散电极(GDE)工艺也适用，并且克服了仅在一个表面上使用GDE工艺的限制。因此，即使在应用GDE工艺时，也能通过最小化接合压力的限制，来改善所制造的EGA的性能，从而降低电解质膜100和电极之间的接触电阻，并且还能通过最小化电解质膜100的暴露部分来提高EGA的耐久性。因而，根据本发明的制造发电组件(EGA)的方法的优点是，气体扩散层(GDL)没有损坏，且即使在有阶梯部的结构中也不发生翘曲现象，并且GDE的电极和电解质膜之间没有空隙的界面的接触面积增加，这使得GDE中GDL的表面压力均匀，并使气体以均匀的流速流入每个电池。

Claims (19)

1.一种制造发电组件的方法，所述发电组件包括电解质膜、设置于所述电解质膜的第一表面上的第一电极、设置于所述第一电极上的第一气体扩散层、设置于所述电解质膜的第二表面上的第二电极和设置于所述第二电极上的第二气体扩散层，
所述方法包括以下步骤：
制备电解质膜，所述电解质膜包括中心部和从所述中心部横向延伸的周缘部；
在所述电解质膜的周缘部提供接触构件；
在所述电解质膜的第一表面的中心部和所述电解质膜的第二表面的中心部中的至少一个上提供第一气体扩散电极和第二气体扩散电极中的至少一个，所述第一气体扩散电极包括所述第一气体扩散层的反应部和第一电极层，所述第二气体扩散电极包括所述第二气体扩散层的反应部和第二电极层，使所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层之一与所述接触构件的侧面接触；以及
在所述接触构件上提供所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层的各气体扩散层的气体扩散部，使所提供的气体扩散部与对应的气体扩散层的反应部的侧面接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其中制备电解质膜的步骤包括在所述电解质膜的第一表面的中心部提供所述第一电极，
提供第一气体扩散电极和第二气体扩散电极中的至少一个的步骤包括在所述电解质膜的第二表面的中心部，提供包括所述第二电极和所述第二气体扩散层的反应部的所述第二气体扩散电极；并且
提供气体扩散部的步骤包括：
在所述接触构件上提供所述第二气体扩散层的气体扩散部，使得所述气体扩散部与所述第二气体扩散层的反应部的侧面接触；以及
在所述第一电极上提供所述第一气体扩散层。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述接触构件设置于所述电解质膜的第二表面的周缘部，或设置于所述电解质膜的第二表面的周缘部和与所述第一电极的侧面接触的所述电解质膜的第一表面的周缘部上。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述接触构件包括从子垫圈和粘合片组成的组中选择的一个或多个。
5.根据权利要求2所述的方法，其中提供所述第二气体扩散电极包括通过以0.5～5MPa加压来提供所述第二气体扩散电极。
6.根据权利要求2所述的方法，其中提供所述第二气体扩散层的气体扩散部包括通过以0.5～5MPa加压来提供所述第二气体扩散层的气体扩散部。
7.根据权利要求5所述的方法，其中在所述加压后，所述第二气体扩散层的气体扩散部的厚度等于所述第二气体扩散层的反应部的厚度。
8.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二气体扩散层的反应部比所述第二气体扩散层的气体扩散部具有更低的粗糙度或更少的孔。
9.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一气体扩散层的厚度小于或等于所述第二气体扩散层的厚度。
10.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一气体扩散层包括的孔少于或等于所述第二气体扩散层中的孔。
11.根据权利要求1所述的方法，包括：
制备所述电解质膜，所述电解质膜包括中心部和从所述中心部横向延伸的周缘部；
在所述电解质膜的周缘部提供所述接触部件；
在所述电解质膜的第一表面的中心部提供所述第一气体扩散电极，所述第一气体扩散电极包括所述第一气体扩散层的反应部和所述第一电极层，使得所述第一气体扩散电极与所述接触构件的侧面接触，以及在所述电解质膜的第二表面的中心部上提供所述第二气体扩散电极，所述第二气体扩散电极包括所述第二气体扩散层的反应部和所述第二电极层，使得所述第二气体扩散电极与所述接触构件的侧面接触；以及
在所述接触构件上提供所述第一气体扩散层的气体扩散部，使所述气体扩散部与所述第一气体扩散层的反应部的侧面接触，并且，在所述接触构件上提供所述第二气体扩散层的气体扩散部，使所述气体扩散部与所述第二气体扩散层的反应部的侧面接触。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将所述接触构件设置在所述电解质膜的第一表面的周缘部和所述电解质膜的第二表面的周缘部。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述接触构件包括从子垫圈和粘合片组成的组中选择的一个或多个。
14.根据权利要求11所述的方法，其中提供所述第一气体扩散电极和所述第二气体扩散电极包括通过以0.5～5MPa加压来提供所述第一气体扩散电极和所述第二气体扩散电极。
15.根据权利要求11所述的方法，其中提供所述气体扩散部包括通过以0.5～5MPa加压来提供所述第一气体扩散层的气体扩散部和所述第二气体扩散层的气体扩散部。
16.根据权利要求14所述的方法，其中在加压后，所述第一气体扩散层的气体扩散部的厚度等于所述第一气体扩散层反应部的厚度，并使得在通过加压提供所述第一气体扩散电极和所述第二气体扩散电极之后，所述第二气体扩散层的气体扩散部的厚度等于所述第二气体扩散层的反应部的厚度。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一气体扩散层的反应部比所述第一气体扩散层的气体扩散部具有更低的粗糙度和更少的孔，并且，所述第二气体扩散层的反应部比所述第二气体扩散层的气体扩散部具有更低的粗糙度和更少的孔。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一气体扩散层的厚度小于或等于所述第二气体扩散层的厚度。
19.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一气体扩散层包括的孔的数量小于或等于所述第二气体扩散层中的孔的数量。
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