CN114868286A - 膜-电极组件、制造该膜-电极组件的方法和包含该膜-电极组件的燃料电池 - Google Patents

膜-电极组件、制造该膜-电极组件的方法和包含该膜-电极组件的燃料电池 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种膜‑电极组件，由于在两面上具有图案化结构的电极，该膜‑电极组件具有增加的活性面积、改善的流体控制能力和降低的气体传输阻力。本申请还公开了一种制造该膜‑电极组件的方法和包括该膜‑电极组件的燃料电池。根据本发明的膜‑电极组件包括：第一电极；第二电极；和在所述第一电极与所述第二电极之间的聚合物电解质膜，其中，所述第一电极具有面对所述聚合物电解质膜的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面具有第一图案化结构，并且所述第二表面具有第二图案化结构。

Description

膜-电极组件、制造该膜-电极组件的方法和包含该膜-电极组 件的燃料电池
技术领域
本公开涉及一种膜-电极组件、制造该膜-电极组件的方法和包括该膜-电极组件的燃料电池，更具体地，涉及一种由于双面图案化电极而具有增加的活性面积、改善的流体控制能力和降低的气体传输阻力的膜-电极组件、制造该膜-电极的方法和包括该膜-电极组件的燃料电池。
背景技术
聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)被构造为使用每个包括膜-电极组件(MEA)和隔膜(也称为双极板)的单元电池堆叠的结构来发电，由于其高能效和环境友好特征，因此作为能够替代化石燃料的下一代能源而受到关注。
膜-电极组件通常包括阳极(也称为燃料电极)、阴极(也称为空气电极)和它们之间的聚合物电解质膜(PEM)。
当将燃料例如氢气供应至阳极时，由于氢氧反应在阳极产生氢离子(H+)和电子(e-)。产生的氢离子经由聚合物电解质膜(PEM)传输至阴极，产生的电子经由外电路传输至阴极。供应至阴极的空气中的氧气与氢离子和电子结合，由于还原而生成水。
由于常规的膜-电极组件的电极和聚合物电解质膜(PEM)的每一个具有光滑表面，因此电极和聚合物电解质膜的每一个的活性面积与所述电极的投影面积大体相等。因此，为了增大电极和聚合物电解质膜的活性面积，必须增加电极的尺寸，这导致成本增加。
此外，当将包括用作流体路径的流动通道部(即，凹槽)和其它部分即非通道部的隔膜通过压力固定至膜-电极组件时，对应于非通道部的电极的部分被压缩，导致流体(例如氧气、氢气或水)的移动受到影响。
具体地，必须在阴极被还原的氧气仅占供应至阴极的空气的约20％，由于氧气还原反应而产生的水干扰氧气在阴极中的扩散。因此，对于阴极，特别需要增加活性面积，以实现水的顺利排出，并且降低氧气传输阻力。
为了增加电极和聚合物电解质膜的每一个的活性面积，已经提出在聚合物电解质膜的表面形成凹凸。然而，该方法存在不能使用作为常规的电极形成方法的贴花转印法(decal transfer method)，并且需要用催化剂分散体直接涂布聚合物电解质膜的问题。此外，如果直接涂布在聚合物电解质膜上的催化剂分散体的催化剂分散状态差，则催化剂不能渗透到聚合物电解质膜的图案化凹槽中，从而电极与聚合物电解质膜之间的界面电阻增大。
同时，为了使阴极的氧气传输阻力最小化，已经提出形成由彼此间隔开的多个子电极构成的阴极。然而，子电极之间的电解质膜的暴露引起膜-电极组件的活性面积的损失和耐久性的劣化。
发明内容
技术问题
因此，本公开涉及一种能够防止由上述相关技术的限制和缺点引起的问题的膜-电极组件、制造该膜-电极组件的方法和包括该膜-电极组件的燃料电池。
本公开的一个目的是提供一种由于双面图案化电极而具有增加的活性面积、改善的流体控制能力和降低的气体传输阻力的膜-电极组件。
本公开的另一目的是提供一种制造膜-电极组件的方法，该膜-电极组件由于双面图案化电极而具有增加的活性面积、改善的流体控制能力和降低的气体传输阻力。
本公开的另一目的是提供一种具有优异的性能和高的耐久性的燃料电池。
除了上述目的之外，本公开的其它特征和优点将在下文中进行描述，或者本公开所属领域的技术人员将通过以下描述清楚地理解本公开。
技术方案
根据本公开的一个方面，提供一种膜-电极组件，包括：第一电极；第二电极；和在所述第一电极与所述第二电极之间的聚合物电解质膜，其中，所述第一电极具有面对所述聚合物电解质膜的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面具有第一图案化结构，并且所述第二表面具有第二图案化结构。
所述第一电极可以包括在所述第一图案化结构与所述第二图案化结构之间的中间层，并且所述中间层的厚度是所述第一电极的厚度的10％至90％。
所述第一图案化结构可以不同于所述第二图案化结构。
所述第一图案化结构和所述第二图案化结构中的至少一个可以具有分散在所述第一表面或所述第二表面的整个区域上的多个凸出部。
每一个所述凸出部的高度可以为1μm至50μm，并且每一个所述凸出部的底面的外接圆的直径可以为10μm至1000μm。
所述第一图案化结构可以具有所述凸出部。
所述第一图案化结构和所述第二图案化结构中的至少一个可以包括：至少一个在平行于所述第一表面和所述第二表面的方向上延伸的凸出图案；和与所述凸出图案相邻的凹入图案。
所述凸出图案的高度可以为1μm至50μm，并且宽度可以为10μm至1000μm。
所述第一图案化结构和所述第二图案化结构中的至少一个可以包括彼此平行排列的多个所述凸出图案。
所述凸出图案可以具有之字形状。
所述第一电极可以是阴极，并且所述第二电极可以是阳极。
根据本公开的另一方面，提供一种制造膜-电极组件的方法，该方法包括：将催化剂分散体施加到具有第一凹入图案的第一离型膜上；用具有第二凹入图案或多个孔的第二离型膜覆盖施加的催化剂分散体；至少将所述催化剂分散体的表面干燥以形成电极；去除所述第二离型膜；将所述电极转移至聚合物电解质膜；和去除所述第一离型膜。
所述第一凹入图案可以包括至少一个在平行于所述第一离型膜的表面的方向上延伸的凹槽，并且所述凹槽的深度可以为1μm至50μm。
所述第二凹入图案可以不同于所述第一凹入图案。
所述第二离型膜可以具有所述多个孔。
所述第二离型膜的厚度可以为10μm至100μm，并且每一个所述孔的直径可以为10μm至1000μm。
所述方法还可以包括在去除所述第二离型膜之后立即将所述电极干燥。
根据本公开的再一方面，提供一种燃料电池，包括：所述膜-电极组件；和设置在所述第一电极的所述第二图案化结构上的隔膜，其中，所述第二图案化结构包括：至少一个在平行于所述第一表面和所述第二表面的方向上延伸的凸出图案；和与所述凸出图案相邻的凹入图案，所述隔膜具有面对所述膜-电极组件的第三表面和与所述第三表面相对的第四表面，所述第三表面包括：用作流体路径的槽形通道部；和非通道部，并且所述膜-电极组件与所述隔膜对齐使得所述非通道部对应于所述凹入图案。
所述第二图案化结构的所述凸出图案可以具有与所述通道部相同的形状。
所述第二图案化结构的凸出图案的宽度可以不大于所述通道部的宽度。
上面给出的本公开的一般描述仅用于说明或描述本公开，并且不能限制本公开的权利范围。
有益效果
根据本公开，电极被构造为使得与聚合物电解质膜接触的电极的表面具有图案化结构，并且所述电极的相对表面也具有图案化结构，由此可以增加聚合物电解质膜和电极的每一个的活性面积。即，根据本公开的膜-电极组件可以由于双面图案化电极而具有增加的活性面积和改善的流体控制能力，并且根据本公开的燃料电池可以具有优异的性能和高的耐久性。
此外，根据本公开的电极可以使用作为常规的电极形成方法的贴花转印法形成，有利于大规模生产。
特别是，由于阴极的相对表面具有图案化结构，因此可以使阴极中的氧气传输阻力最小化并且改善阴极中的水控制能力。
附图说明
包括附图是为了帮助理解本公开，附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分，这些附图示出了本公开的实施方案并且和本公开的详细描述一起用于解释本公开的原理。
图1示意性地示出了根据本公开的一个实施方案的膜-电极组件的截面；
图2示意性地示出了根据本公开的一个实施方案的双面图案化电极的截面。
图3(a)至3(c)示出了根据本公开的图案化结构的各种实例；
图4(a)至4(c)示出了根据本公开的凸出部或凸出图案的各种实例的纵向截面；
图5a至图5h是用于描述根据本公开的一个实施方案的制造膜-电极组件的方法的截面图；
图6示意性地示出了根据本公开的一个实施方案的燃料电池的截面。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本公开的实施方案。然而，提供以下实施例仅是为了清楚地理解本公开，并不是限制本公开的范围。
图1示意性地示出了根据本公开的一个实施方案的膜-电极组件1000的截面，图2示意性地示出了根据本公开的一个实施方案的双面图案化电极1210的截面。
如图1中所示，根据本公开的膜-电极组件1000包括：第一电极1210；第二电极1220；和位于第一电极1210与第二电极1220之间的聚合物电解质膜1100。
根据本公开，第一电极1210是双面图案化电极。在图1中，示出了膜-电极组件1000，其构造成仅第一电极1210是双面图案化电极并且第二电极1220是双面光滑电极。然而，本公开不限于此。第二电极1220也可以是双面图案化电极，以与第一电极1210相同的方式。
如图2中所示，第一电极1210具有面对聚合物电解质膜1100的第一表面；和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面具有第一图案化结构1211，并且所述第二表面具有第二图案化结构1212。
根据本公开的第一图案化结构1211可以增加第一电极1210和聚合物电解质膜1100两者的活性面积，从而可以改善膜-电极组件1000的性能和燃料电池的性能。
根据本公开的第二图案化结构1212可以降低第一电极1210中的气体传输阻力，从而可以改善膜-电极组件1000的性能和燃料电池的性能。
在本公开的一个实施方案中，如图2中所示，第一电极1210可以包括在第一图案化结构1211与第二图案化结构1212之间的中间层1213。中间层1213的厚度T2可以是第一电极1210的厚度T1的10％至90％。如果中间层1213的厚度T2的百分比小于10％，则供应至第一电极1210的气体会容易地通过第一电极1210，然后传输至第二电极1220，从而会降低膜-电极组件1000的性能和耐久性。另一方面，如果中间层1213的厚度T2的百分比大于90％，则第一图案化结构1211和第二图案化结构1212的图案的尺寸会过度减小，从而本公开所要达到的效果会不显著。
在图2中，示出了膜-电极组件1000，其构造成第一图案化结构1211和第二图案化结构1212彼此不同。然而，本公开不限于此。第一图案化结构1211与第二图案化结构1212可以彼此相同。
图3(a)至3(c)示出了根据本公开的图案化结构的各种实例。
如图3(a)中所示，第一图案化结构1211和第二图案化结构1212中的至少一个可以具有分散在第一表面或第二表面的整个区域上的多个凸出部1211a和1212a。
例如，如图2中所示，与聚合物电解质膜1100接触的第一图案化结构1211可以包括分散在第一电极1210的第一表面的整个区域上的多个凸出部1211a。
每一个凸出部1211a的高度可以为1μm至50μm，并且每一个凸出部1211a的底面的外接圆的直径可以为10μm至1000μm。
如图3(b)和3(c)中所示，第一图案化结构1211和第二图案化结构1212中的至少一个可以包括至少一个在平行于第一表面和第二表面的方向上延伸的凸出图案1211a或1212a和与凸出图案1211a或1212a相邻的凹入图案。
例如，第二图案化结构1212可以包括至少一个在平行于第一表面和第二表面的方向上延伸的凸出图案1212a和与凸出图案1212a相邻的凹入图案1212b。
凸出图案1212a的高度可以为1μm至50μm，并且宽度可以为10μm至1000μm。
第一图案化结构1211和第二图案化结构1212中的至少一个可以包括彼此平行排列的多个凸出图案1211a或1212a，如图3(b)中所示，或者可以包括之字形凸出图案1211a或1212a，如图3(c)中所示。
例如，第二图案化结构1212可以包括彼此平行排列的多个凸出图案1212a，或者可以包括之字形凸出图案1212a。特别是，优选地，将在燃料电池堆中面对隔膜的第二图案化结构1212包括具有与隔膜的流动通道相对应的形状和尺寸的凸出图案1212a，具体原因将在下文描述。
图4(a)至4(c)示出了根据本公开的凸出部/凸出图案1211a或1212a的各种实例的纵向截面。
在图1和2中，凸出部/凸出图案1211a或1212a示出为具有半圆形或矩形纵向截面。然而，本公开不限于此。凸出部/凸出图案1211a或1212a可以具有任意形状的纵向截面。例如，凸出部/凸出图案1211a或1212a的纵向截面可以具有部分弯曲的形状(例如，图4(a)中所示的形状)或任意多边形形状(例如，图4(b)和4(c)中所示的形状)。
如前所述，必须在阴极被还原的氧气仅占供应至阴极的空气的约20％，并且由于氧气还原反应而产生的水会干扰氧气在阴极中的扩散。因此，对于阴极，特别需要增加活性面积，以实现水的顺利排出，并且降低氧气传输阻力。因此，在本发明的一个实施方案中，作为双面图案化电极的第一电极1210可以是阴极，第二电极1220可以是阳极。
下文中，将参照图5a至图5h详细描述根据本公开的制造膜-电极组件的方法。
首先，如图5a中所示，制备具有第一凹入图案11的第一离型膜10。第一凹入图案11可以包括在平行于第一离型膜10的表面的方向上延伸的至少一个凹槽，并且凹槽的深度可以为1μm至50μm。
然后，如图5b中所示，将掩膜21粘附到具有第一凹入图案11的第一离型膜10的表面。将第一催化剂分散体1210'施加到第一离型膜10的通过掩膜21的开口暴露的部分(即，形成有第一凹入图案11的第一离型膜的部分)。在将第一催化剂分散体1210'引入到第一凹入图案11中之后，通过随后的干燥工艺形成第二图案化结构1212的凸出图案1212a。
可以用于制造燃料电池的电极的任意催化剂分散体可以用于本公开中。例如，第一催化剂分散体1210'可以包含催化剂、离聚物和分散介质。
催化剂可以包括载体和分散在载体上的多个金属粒子。
载体可以是：(i)碳基载体；(ii)多孔无机氧化物载体，例如氧化锆、氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、或二氧化铈，或(iii)沸石载体。碳基载体可以是石墨、超级P(super P)、碳纤维、碳片、炭黑、科琴黑、超导电乙炔碳黑(Denka black)、乙炔碳黑(acetylene black)、碳纳米管(CNT)、碳球、碳带、富勒烯、活性炭、碳纳米纤维、碳纳米线、碳纳米球、碳纳米角、碳纳米笼、碳纳米环、有序纳米/介孔碳、碳气凝胶、介孔碳、石墨烯、稳定碳、活性碳或它们中的两种或更多种的组合。
金属粒子可以是铂(Pt)粒子或铂类合金粒子。铂类合金可以是Pt-Pd、Pt-Mn、Pt-Sn、Pt-Mo、Pt-W、Pt-Ru、Pt-Ru-W、Pt-Ru-Ni、Pt-Ru-Mo、Pt-Ru-Rh-Ni、Pt-Ru-Sn-W、Pt-Ru-Ir-Ni、Pt-Co、Pt-Co-Mn、Pt-Co-Ni、Pt-Co-Fe、Pt-Co-Ir、Pt-Co-S、Pt-Co-P、Pt-Fe、Pt-Fe-Ir、Pt-Fe-S、Pt-Fe-P、Pt-Au-Co、Pt-Au-Fe、Pt-Au-Ni、Pt-Ni、Pt-Ni-Ir、Pt-Cr或Pt-Cr-Ir。然而，本公开不限于此。
提供与催化剂一起分散在分散介质中的离聚物以传输阳离子，并且还起到增加电极和聚合物电解质膜之间的粘合力的粘合剂的功能。离聚物可以是氟系离聚物或烃类离聚物，并且可以具有选自磺酸基、羧基、硼酸基、磷酸基、酰亚胺基、磺酰亚胺基、磺酰胺基和磺酰氟基中的至少一种离子传导基团。
例如，离聚物可以是氟系离聚物，例如聚(全氟磺酸)或聚(全氟羧酸)。
或者，离聚物可以是烃类离聚物，例如磺化聚酰亚胺(S-PI)、磺化聚芳醚砜(S-PAES)、磺化聚醚醚酮(SPEEK)、磺化聚苯并咪唑(SPBI)、磺化聚砜(S-PSU)、磺化聚苯乙烯(S-PS)、磺化聚磷腈、磺化聚喹喔啉、磺化聚酮、磺化聚苯醚、磺化聚醚砜、磺化聚醚酮、磺化聚苯砜、磺化聚苯硫醚、磺化聚苯硫醚砜、磺化聚苯硫醚砜腈、磺化聚芳醚、磺化聚芳醚腈、磺化聚芳醚醚腈或磺化聚芳醚砜酮。
分散介质可以是乙醇、蒸馏水、异丙醇、正丙醇、丁醇或它们中的两种或更多种的混合物。然而，本公开不限于此。
然后，如图5c中所示，用第二离型膜30覆盖施加的第一催化剂分散体1210'。根据本公开的第二离型膜30具有第二凹入图案或多个孔。
例如，第二离型膜30可以具有与第一离型膜10的第一凹入图案11不同的第二凹入图案。
或者，如图5c中所示，第二离型膜30可以具有分散在将与第一催化剂分散体1210'接触的整个区域上的多个孔31。在随后的干燥过程中，第一催化剂分散体1210'的分散介质可以容易地通过孔31而去除。第二离型膜30的厚度(即，每个孔31的深度)可以为10μm至100μm，并且每个孔31的直径可以为10μm至1000μm。在将第一催化剂分散体1210'通过毛细作用引入到孔31中之后，通过随后的干燥工艺形成第一图案化结构1211的凸出部1211a。
然后，如图5d中所示，至少将第一催化剂分散体1210'的表面干燥以形成第一电极1210，并且去除第二离型膜30和掩膜21。
尽管可以在第一催化剂分散体1210'完全干燥之后去除第二离型膜30和掩膜21，但是就干燥工艺的效率而言，优选地仅将第一催化剂分散体1210'的表面干燥到第一电极1210的形状得以保持的程度，去除第二离型膜30和掩膜21，进一步干燥第一电极1210以完全去除其中的分散介质。
如上所述形成的第一电极1210具有暴露的第一图案化结构1211，和与第一离型膜10接触的第二图案化结构1212。
第一电极1210可以堆叠在聚合物电解质膜1100上，使得第一图案化结构1211与聚合物电解质膜1100接触，可以进行热压工艺以将第一电极1210转移至聚合物电解质膜1100，并且可以去除第一离型膜10。
然而，更通常地，第一电极1210和第二电极1220同时转移至聚合物电解质膜1100。
也就是说，如图5e中所示，将掩膜22贴附至第三离型膜40，并将第二催化剂分散体1220'施加至第三离型膜40的通过掩膜22的开口暴露的部分。第二催化剂分散体1220'可以与第一催化剂分散体1210'的组成相同，因此将省略其详细描述。
然后，如图5f中所示，将第二催化剂分散体1220'完全干燥以形成第二电极1220，并且去除掩膜22。
然后，如图5g中所示，第一电极1210堆叠在聚合物电解质膜1100的第一表面上，使得第一图案化结构1211与聚合物电解质膜1100接触，并且第二电极1220堆叠在聚合物电解质膜1100的第二表面上
聚合物电解质膜1100可以是由离聚物形成的单膜型电解质膜或包括浸渍有离聚物的多孔载体的增强复合膜型电解质膜。在这两种类型的聚合物电解质膜1100中，可以使用第一催化剂分散体1210'或第二催化剂分散体1220'的离聚物。优选地，聚合物电解质膜1100的离聚物和第一电极1210和第二电极1220的每一个的离聚物是相同种类。然而，本公开不限于此。可以使用不同种类的离聚物来制造聚合物电解质膜1100以及第一电极1210和第二电极1220。
然后，如图5h中所示，将得到的层压体热压以分别将第一电极1210和第二电极1220转移至聚合物电解质膜1100的第一表面和第二表面，并且去除第一离型膜10和第三离型膜40，由此可以以获得根据本公开的膜-电极组件1000。
下文中，将参照图6详细描述根据本公开的燃料电池。
如图6中所示，根据本公开的燃料电池包括上述根据本公开的膜-电极组件1000和设置在第一电极1210的第二图案化结构1212上的第一隔膜1510。
在本实施例中，第二图案化结构1212包括至少一个在平行于第一电极1210的第一表面和第二表面的方向上延伸的凸出图案1212a和与凸出图案1212a相邻的凹入图案1212b。
第一隔膜1510具有面对膜-电极组件1000的第三表面和与第三表面相对的第四表面，第三表面包括：用作流体路径的槽形第一通道部1511；和第一非通道部1512。
如前所述，当第一隔膜1510通过压力固定至膜-电极组件1000时，对应于第一非通道部1512的第一电极1210的部分被压缩，从而流体(例如，氧气、氢气或水)的移动受到影响。
根据本公开，膜-电极组件1000与第一隔膜1510对齐，使得第一非通道部1512对应于第二图案化结构1212的凹入图案1212b，由此可以在压缩固定第一隔膜1510时使第一电极1210的压缩变形最小化并且改善膜-电极组件1000的流体控制能力，因此可以改善燃料电池的性能和耐久性。特别地，当第一电极1210是阴极时，可以使阴极中的氧气传输阻力最小化，并且可以改善阴极中的水控制能力。
为了使上述本公开的效果最大化，优选地，第二图案化结构1212包括具有与第一隔膜1510的第一通道部1511相对应的形状和尺寸的凸出图案1212a。例如，第二图案化结构1212的凸出图案1212a可以具有与第一隔膜1510的第一通道部1511相同的形状，并且凸出图案1212a的宽度可以大于第一通道部1511的宽度。
如图6中所示，根据本公开的燃料电池还可以包括设置在第二电极1220上的第二隔膜1520。第二隔膜1520也可以包括在其表面形成的面对膜-电极组件1000的第二通道部1521和第二非通道部1522。
如图6中所示，根据本公开的燃料电池还可以包括：设置在聚合物电解质膜1100的第一表面上以包围第一电极1210的第一子垫片1310；和设置在聚合物电解质膜1100的第二表面上以包围第二电极1220的第二子垫片1320。
第一子垫片1310和第二子垫片1320：(i)防止由于燃料电池在运行过程中的重复膨胀和收缩而对聚合物电解质膜1100的边缘部分的损坏；(ii)补救由于极薄的聚合物电解质膜1100而导致的膜电极组件1000的差的加工性能；和(iii)防止气体(即，氢气和空气)的泄漏。第一子垫片1310和第二子垫片1320的每一个可以是包括聚酰亚胺(PI)类化合物、聚乙烯(PE)类化合物、聚丙烯(PP)类化合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)类化合物、氟化乙烯丙烯(FEP)类化合物或它们中的两种或更多种的混合物的膜。然而，本公开不限于此。
如图6中所示，根据本公开的燃料电池还可以包括在第一电极1210与第一隔膜1510之间的第一气体扩散层1410和在第二电极1220与第二隔膜1520之间的第二气体扩散层1420。
第一气体扩散层1410和第二气体扩散层1420的主要功能是：(i)提供从第一隔膜1510和第二隔膜1520中的第一通道部1511和第二通道部1521至第一电极1210和第二电极1220的气体扩散路径，使得气体(即，氢气和空气)容易且均匀地供应至第一电极1210和第二电极1220；(ii)使得作为氧气还原反应的副产物的水能够容易地从第一电极1210和第二电极1220去除，从而防止溢流；(iii)在一定程度上储存水，从而防止聚合物电解质膜1100的水分含量突然降低；和(iv)为膜-电极组件1000提供足够的机械强度。
第一气体扩散层1410和第二气体扩散层1420的每一个可以是导电多孔构件，例如碳纸、碳布、碳毡或金属布。
下文中，将参照具体实施例详细描述本公开。然而，给出以下实施例仅用于帮助理解本公开，并且不限制本公开的权利范围。
实施例1
根据图5a至图5h中所示的工艺使用贴花转印法制造图1中所示的膜-电极组件(双面图案化阴极+常规阳极)。使用Pt/C催化剂形成阴极(0.4mg Pt/cm2)和阳极(0.1mg Pt/cm2)，并且使用厚度为18μm的氟系聚合物电解质膜。
比较例1
使用贴花转印法在聚合物电解质膜的相对表面上形成常规阴极和常规阳极以获得膜-电极组件。使用Pt/C催化剂形成阴极(0.4mg Pt/cm2)和阳极(0.1mg Pt/cm2)，并且使用厚度为18μm的氟系聚合物电解质膜。
比较例2
使用贴花转印法在聚合物电解质膜的相对表面上形成单面图案化阴极和常规阳极以获得膜-电极组件。阴极的图案化表面与聚合物电解质膜接触。使用Pt/C催化剂形成阴极(0.4mg Pt/cm2)和阳极(0.1mg Pt/cm2)，并且使用厚度为18μm的氟系聚合物电解质膜。
比较例3
在聚合物电解质膜的相对表面上形成由彼此间隔开的多个子电极构成的阴极和常规阳极以获得膜-电极组件。使用Pt/C催化剂形成阴极(0.4mg Pt/cm2)和阳极(0.1mgPt/cm2)，并且使用厚度为18μm的氟系聚合物电解质膜。
[功率性能评价]
通过膜-电极组件的I-V测量评价膜-电极组件的功率性能。具体地，为了检查实际燃料电池运行条件下的功率性能，将膜-电极组件固定到燃料电池单元电池评价装置，并将膜-电极组件的温度保持在65℃下。氢气(100％RH)和空气(100％RH)分别以对应于化学计量1.2/2.0的量供应至阳极和阴极。测量施加0.1A/cm2、1A/cm2和2A/cm2的电流密度时的电压，结果示于下面表1中。更高的测量电压表示更好的功率性能。
此外，测量开路电压(OCV)，结果示于下面表1中。
[表1]
Figure BDA0003702792520000121
可以看出，对于比较例2，阴极与聚合物电解质膜之间的界面面积增加，从而与比较例1相比，在活化区(电流密度为0.1A/cm2)和欧姆区(1A/cm2)的功率性能改善。可以看出，对于比较例3，阴极是使用彼此间隔开的多个子电极形成，从而与比较例1相比，物质传输阻力区(2A/cm2)的功率性能改善。然而，其它区(即，电流密度0.1A/cm2和1A/cm2)的功率性能与比较例1中的功率性能没有太大不同。另外，比较例3比比较例1表现出更低的OCV。原因是由于子电极之间的聚合物电解质膜的暴露，氢气渗透率增加。
可以看出，实施例1由于气体渗透率低而表现出最高的OCV，同时具有比较例2和比较例3的所有积极效果。
[循环伏安法(CV)&线性扫描伏安法(LSV)]
在通过循环伏安法(CV)得到的CV曲线中，利用氢气吸附和脱附区域的面积值计算膜-电极组件的阴极的电化学表面积(ECA)，结果示于下面表2中。另外，氢气渗透率通过线性扫描伏安法(LSV)来间接检查，结果示于下面表2中。
[表2]
ECA(m<sup>2</sup>/g) H<sub>2</sub>渗透率(mA/cm<sup>2</sup>)(@0.2V)
实施例1 35 1.72
比较例1 29 1.7
比较例2 34 1.75
比较例3 28 1.91
可以看出，对于比较例2，阴极与聚合物电解质膜之间的界面面积增加，从而与比较例1相比，电化学表面积(ECA)增加，并且与比较例1相比，氢气渗透率增加。
可以看出，对于比较例3，阴极是使用彼此间隔开的多个子电极形成，从而与比较例1相比，电化学表面积(ECA)降低。此外，比较例3表现出比比较例1高得多的氢气渗透率。
可以看出，对于实施例1，与比较例1相比，电化学表面积(ECA)增加最多，并且与比较例1相比，氢气渗透率仅略微增加。

Claims (20)

1.一种膜-电极组件，包括：
第一电极；
第二电极；和
在所述第一电极与所述第二电极之间的聚合物电解质膜，其中，
所述第一电极具有面对所述聚合物电解质膜的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，
所述第一表面具有第一图案化结构，并且
所述第二表面具有第二图案化结构。
2.根据权利要求1所述的膜-电极组件，其中，
所述第一电极包括在所述第一图案化结构与所述第二图案化结构之间的中间层，并且
所述中间层的厚度是所述第一电极的厚度的10％至90％。
3.根据权利要求1所述的膜-电极组件，其中，所述第一图案化结构不同于所述第二图案化结构。
4.根据权利要求1所述的膜-电极组件，其中，所述第一图案化结构和所述第二图案化结构中的至少一个具有分散在所述第一表面或所述第二表面的整个区域上的多个凸出部。
5.根据权利要求4所述的膜-电极组件，其中，
每一个所述凸出部的高度为1μm至50μm，并且
每一个所述凸出部的底面的外接圆的直径为10μm至1000μm。
6.根据权利要求4所述的膜-电极组件，其中，所述第一图案化结构具有所述凸出部。
7.根据权利要求1所述的膜-电极组件，其中，所述第一图案化结构和所述第二图案化结构中的至少一个包括：至少一个在平行于所述第一表面和所述第二表面的方向上延伸的凸出图案；和与所述凸出图案相邻的凹入图案。
8.根据权利要求7所述的膜-电极组件，其中，所述凸出图案的高度为1μm至50μm，并且宽度为10μm至1000μm。
9.根据权利要求7所述的膜-电极组件，其中，所述第一图案化结构和所述第二图案化结构中的至少一个包括彼此平行排列的多个所述凸出图案。
10.根据权利要求7所述的膜-电极组件，其中，所述凸出图案具有之字形状。
11.根据权利要求1所述的膜-电极组件，其中，
所述第一电极是阴极，并且
所述第二电极是阳极。
12.一种制造膜-电极组件的方法，该方法包括：
将催化剂分散体施加到具有第一凹入图案的第一离型膜上；
用具有第二凹入图案或多个孔的第二离型膜覆盖施加的催化剂分散体；
至少将所述催化剂分散体的表面干燥以形成电极；
去除所述第二离型膜；
将所述电极转移至聚合物电解质膜；和
去除所述第一离型膜。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，
所述第一凹入图案包括至少一个在平行于所述第一离型膜的表面的方向上延伸的凹槽，并且
所述凹槽的深度为1μm至50μm。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二凹入图案不同于所述第一凹入图案。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二离型膜具有所述多个孔。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，
所述第二离型膜的厚度为10μm至100μm，并且
每一个所述孔的直径为10μm至1000μm。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括在去除所述第二离型膜之后立即将所述电极干燥。
18.一种燃料电池，包括：
根据权利要求1所述的膜-电极组件；和
设置在所述第一电极的所述第二图案化结构上的隔膜，其中，
所述第二图案化结构包括：至少一个在平行于所述第一表面和所述第二表面的方向上延伸的凸出图案；和与所述凸出图案相邻的凹入图案，
所述隔膜具有面对所述膜-电极组件的第三表面和与所述第三表面相对的第四表面，
所述第三表面包括：用作流体路径的槽形通道部；和非通道部，并且
所述膜-电极组件与所述隔膜对齐，使得所述非通道部对应于所述凹入图案。
19.根据权利要求18所述的燃料电池，其中，所述第二图案化结构的所述凸出图案具有与所述通道部相同的形状。
20.根据权利要求19所述的燃料电池，其中，所述第二图案化结构的凸出图案的宽度不大于所述通道部的宽度。
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