CN115699373A - 制造膜电极组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制造带子垫片的膜电极组件的方法，其中将超声能量施加到中间构造的单个面上以在气体扩散层和子垫片之间形成粘结部。

Description

制造膜电极组件的方法
技术领域
本发明涉及一种制造带子垫片的膜电极组件的方法，其中气体扩散层使用超声能量粘结。
背景技术
燃料电池是包括被电解质隔开的两个电极的电化学电池。燃料(例如，氢气、醇(诸如甲醇或乙醇)或甲酸)被供应给阳极，并且氧化剂(例如，氧气或空气)被供应给阴极。电化学反应在电极处发生，并且燃料和氧化剂的化学能被转换成电能和热量。电催化剂用于促进阳极处燃料的电化学氧化和阴极处氧气的电化学还原。
燃料电池通常根据所用电解质的性质进行分类。电解质通常为固体聚合物膜，其中该膜为电绝缘的但离子导电的。在质子交换膜燃料电池中，该离子导电膜是质子导电的，并且将在阳极处产生的质子横跨该离子导电膜传送至阴极，其中它们与氧组合以形成水。
质子交换膜燃料电池的主要组分是带子垫片的膜电极组件，其由多个层构成。中间层为聚合物离子传导膜。在离子导电膜的任一面上存在电催化剂层，该电催化剂层含有设计用于特定电解反应的电催化剂。离子导电膜和电催化剂层的这种夹层结构提供了有源区域。电催化剂层一般还包含质子导电材料，诸如质子导电聚合物，以有助于质子从阳极电催化剂转移到离子导电膜和/或从离子导电膜转移到阴极电催化剂。邻近每个电催化剂层存在气体扩散层。气体扩散层必须允许反应物到达电催化剂层并且必须传导由电化学反应产生的电流。因此，气体扩散层必须为多孔的和导电的。
子垫片存在于聚合物离子导电膜的一个或两个表面上。子垫片包含限定膜电极组件的有源区域的孔，并通过使用粘合剂附接到离子导电膜或电催化剂层。这些子垫片存在以防止气体泄漏，并且可包含远离有源区域的另外的孔，所述孔在燃料电池组中对准以有利于气体和液体在该电池组中的输送。燃料电池组可包括大量带子垫片的膜电极组件连同流场板，该流场板仔细地对准以避免例如气体泄漏、氢气穿透和性能劣化。电池组的总功率与该电池组中此类组件的数量成比例。电池组的性能部分取决于电池组中相邻组件内和之间的完整性和各种触点和密封界面。
制造带子垫片的膜电极组件的常规方法首先需要制造带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜，该离子导电膜包括设置在两个电催化剂层之间的聚合物离子导电膜，其中子衬片位于催化剂涂覆的离子导电膜的两侧上。这可例如通过卷对卷工艺制造，其中首先通过贴花转移工艺将电催化剂层转移到离子导电膜的相应侧。然后，在第二卷对卷工艺中，将两个子垫片施加到催化剂涂覆的离子导电膜上。然后使用粘合剂将气体扩散层粘结到带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜上，来将气体扩散层与有源区域上方的带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜组合。粘合剂可以是热熔胶，并且使用加热板在热压机中或在定制机器等同物中将部件粘结。这使胶流动并将部件粘结在一起。
然而，带子垫片的膜电极组件含有对湿度和温度的变化高度敏感的材料，诸如聚合物离子导电膜。在次优的温度和湿度下，材料收缩或膨胀、吸收或阻隔水分，从而导致它们的尺寸显著改变。这可能导致具有折痕、气泡和波纹的不稳定部件。发明人已经发现，使用加热板使胶区域熔融可能不允许有效控制所需区域中的热量并且可能促进这些不可取的效果。当将该部件放置在燃料电池组中时，此类效应可导致密封问题，并且如果燃料电池组中的电池失效，则整个系统失效。
发明内容
因此，本发明提供了一种用于制造带子垫片的膜电极组件的方法，所述方法包括以下步骤：
i)提供带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜，其中所述带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜包括：
a)催化剂涂覆的离子导电膜，其包括设置在第一电催化剂层和第二电催化剂层之间的离子导电膜；
c)第一子垫片和第二子垫片，其各自具有由每个相应子垫片的内边缘限定的孔；
其中所述催化剂涂覆的离子导电膜设置在所述第一子垫片和所述第二子垫片之间，并且所述第一电催化剂层和所述第二电催化剂层分别通过所述第一子垫片和所述第二子垫片的孔暴露，以分别提供第一有源区域和第二有源区域；
ii)通过将第一气体扩散层和第二气体扩散层分别施加到分别在第一子垫片和第二子垫片中的孔上方的带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜的相对面，使得所述第一气体扩散层与整个第一有源区域以及所述第一子垫片的一个或多个内边缘重叠，并且所述第二气体扩散层与整个第二有源区域以及所述第二子垫片的一个或多个内边缘重叠，来形成中间构造；
其中提供第一粘合剂轨道以将所述第一气体扩散层粘结到所述第一子垫片并且提供第二粘合剂轨道以将第二气体扩散层粘结到第二子垫片；
iii)向来自步骤ii)的中间构造的单个面施加超声能量，以使所述第一粘合剂轨道和所述第二粘合剂轨道中的粘合剂流动并分别在所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层与所述第一子垫片和所述第二子垫片之间形成粘结部，从而形成带子垫片的膜电极组件，其中所述超声能量仅施加在存在所述第一粘合剂轨道和所述第二粘合剂轨道的区域上。
本发明人令人惊讶地发现，靶向超声能量可成功地用于在气体扩散层和带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜之间形成粘结部。具体地讲，令人惊讶的是，两个粘合剂轨道相等地反应，并且在将超声能量施用于单个面时均形成粘结部。有利的是，此类靶向超声能量可用于粘结形成步骤中，因为施加到部件上的能量的量可因此被仔细地控制并相对于常规工艺减少。因此，可使膜电极组件的材料中的不希望变化最小化。此外，本发明人令人惊讶地发现，使用超声能量是有利的，因为它增加了该方法的生产量。例如，粘合不需要相对长的时间，该相对长的时间是使用加热板时通常需要的，诸如十秒或更长。
附图说明
图1a-d是具有不同构造的带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜的剖视图。
图2a是本发明方法的一部分的剖视图，其中提供了包括粘合剂轨道的第一气体扩散层和第二气体扩散层。
图2b是本发明方法的一部分的剖视图，其中施加超声能量。
图3是气体扩散层的剖视光学显微镜图像，该气体扩散层已通过在粘合剂轨道上施加超声能量而粘附至子垫片。
图4是通过本发明方法制造的带子垫片的膜电极组件的剖面光学显微图像。
具体实施方式
现在将阐述本发明的优选的和/或任选的特征。除非上下文另外要求，否则本发明的任何方面可与本发明的任何其他方面组合。除非上下文另外要求，否则任何方面的优选的或任选的特征中的任一者可单独地或组合地与本发明的任何方面组合。
在本发明方法中制造的带子垫片的膜电极组件包括设置在第一气体扩散层和第二气体扩散层之间的带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜，其中第一气体扩散层与整个第一有源区域以及第一子垫片的一个或多个内边缘重叠，第二气体扩散层与整个第二有源区域以及第二子垫片的一个或多个内边缘重叠，第一气体扩散层通过第一粘合剂轨道中的粘合剂粘结到第一子垫片，并且第二气体扩散层通过第二粘合剂轨道中的粘合剂粘结到第二子垫片。
在该方法的步骤i)中提供的带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜电极组件可具有多种不同的构造，前提条件是离子导电膜设置在第一电催化剂层和第二电催化剂层之间，并且催化剂涂覆的离子导电膜设置在第一子垫片和第二子垫片之间，并且第一电催化剂层和第二电催化剂层分别通过第一子垫片和第二子垫片的孔暴露，以分别提供第一有源区域和第二有源区域。具体地讲，离子导电膜可延伸到至第一子垫片和第二子垫片的所有外周边缘。另选地，离子导电膜不延伸到第一子垫片和第二子垫片的一个或多个外周边缘。将显而易见，离子导电膜与第一子垫片和第二子垫片的所有内边缘重叠。第一子垫片和第二子垫片的外周边缘是限定第一子垫片和第二子垫片的形状的边缘，该边缘不同于限定每个子垫片中的孔的内边缘。另外，第一电催化剂层和第二电催化剂层可以延伸到或可以不延伸到离子导电膜的所有边缘。优选地，第一电催化剂层和第二电催化剂层不延伸到离子导电膜的任何边缘。如果离子导电膜延伸到第一子垫片和第二子垫片的所有外周边缘，则第一电催化剂层和第二电催化剂层也可延伸到第一子垫片和第二子垫片的所有外周边缘，但优选地不延伸。
在其中第一电催化剂层和第二电催化剂层不延伸到离子导电膜的任何边缘的构造中，第一电催化剂层和第二电催化剂层可分别设置在第一子垫片和第二子垫片中的孔内，使得第一电催化剂层和第二电催化剂层与第一子垫片和第二子垫片的任何内边缘之间不存在重叠。另选地，第一电催化剂层和第二电催化剂层可与第一子垫片和第二子垫片的内边缘中的一个或多个，优选地全部重叠。
第一有源区域和第二有源区域的中心点，并且因此第一子垫片和第二子垫片中的第一孔和第二孔的中心点可以在贯通面方向上对准。限定第一孔和第二孔的第一子垫片和第二子垫片的内边缘也可在贯通面方向上对准。第一电催化剂层和第二电催化剂层的中心点可在贯通面方向上对准。第一电催化剂层和第二电催化剂层的边缘也可在贯通面方向上对准。本文所用的术语“贯通面方向”是笛卡尔z-方向，并且与带子垫片的离子导电膜的厚度(并且因此也与包括带子垫片的离子导电膜的构造和组件的厚度)对准。本文所指的两个面垂直于贯通面方向并且在笛卡尔x、y方向上延伸。
步骤i)中提供的带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜通常以单个单元形式提供，该单个单元可从卷状物品子组件切割。此类卷状物品子组件包括以连续的催化剂涂覆的离子导电膜幅材形式设置在第一子垫片幅材和第二子垫片幅材之间的多个带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜单元。此类卷状物品子组件以及其制造工艺在本领域中是已知的。例如，采用卷对卷转移工艺，其中首先使用加热辊通过贴花转移将连续的电催化剂层转移到离子导电膜幅材的相应相对面上。然后，使用加热辊将第一子垫片幅材和第二子垫片幅材施加到催化剂涂覆的离子导电膜的相应相对面上。电催化剂层可另选地以单个单元电催化剂层的形式施加到离子导电膜幅材上。在这种情况下，卷状物品子组件包括单独的电催化剂层而不是连续的电催化剂层。
使用任何合适的粘合剂，例如压敏粘合剂、热敏粘合剂、UV活化的粘合剂或其他粘合剂，将第一子垫片和第二子垫片粘附至催化剂涂覆的离子导电膜。例如，粘合剂层可包含丙烯酸压敏粘合剂、基于橡胶的粘合剂、乙烯马来酸酐共聚物、烯烃粘合剂、基于腈的粘合剂、基于环氧树脂的粘合剂和基于氨基甲酸酯的粘合剂。当离子导电膜不延伸到第一子垫片和第二子垫片的外周边缘时，第一子垫片和第二子垫片的延伸超过离子导电膜边缘的区域将被粘附。
第一子垫片和第二子垫片可包含与燃料电池环境相容的任何材料。例如，第一子垫片和第二子垫片必须能够承受在-20℃至180℃范围内并且包括-20℃至180℃的温度以及存在水、氢气和/或氧气。合适的材料包括聚酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯。第一子垫片和第二子垫片的厚度没有特别限定，但可合适地在10μm至100μm的范围内并且包括10μm至100μm。第一子垫片和第二子垫片不需要具有相同的特性。例如，第一子垫片和第二子垫片可具有不同的厚度和/或由不同的材料制备。第一子垫片和第二子垫片还可包括有利于处理或燃料电池操作的特征。例如，第一子垫片和第二子垫片可在它们各自的外周边缘的区域中包括孔，所述外周边缘不与第一有源区域和第二有源区域重叠。这些孔可例如有利于气体在燃料电池组中输送。这些孔还可有利于带子垫片的膜电极组件的处理。如果离子导电膜延伸到第一子垫片和第二子垫片的所有外周边缘，则这些孔也将延伸穿过离子导电膜，并且如果适用的话，延伸穿过第一电催化剂层和第二电催化剂层。第一子垫片及第二子垫片的形状没有特别限定。换句话说，第一子垫片及第二子垫片的外周边缘可限定任何形状，并且该形状通常由部件在特定燃料电池组中的布置来确定。然而，优选第一子垫片及第二子垫片的外周边缘在贯通面方向上对准。还优选第一子垫片及第二子垫片的两个外周边缘平行。
离子导电膜优选是适用于质子交换膜燃料电池或电解槽中的任何膜。因此，离子导电膜优选地包含质子导电聚合物，优选地质子导电离聚物。技术人员应理解，离聚物是由经由侧链共价键合到聚合物主链的电中性重复单元和可电离重复单元两者构成的聚合物。例如，离子导电膜可基于全氟化磺酸材料，诸如
Figure BDA0003983079560000071
(Chemours Company)、
Figure BDA0003983079560000072
(Solvay Specialty Polymers)、
Figure BDA0003983079560000073
(Asahi Glass Group)和
Figure BDA0003983079560000074
(Asahi KaseiChemicals Corp.)。另选地，离子导电膜可基于磺化烃膜，诸如购自FuMA-Tech GmbH(以
Figure BDA0003983079560000075
P、E或K系列产品)、JSR Corporation、Toyobo Corporation等的那些。
离子导电膜可以包含附加组分，诸如过氧化物分解催化剂和/或自由基分解催化剂和/或重组催化剂。重组催化剂催化未反应的H2和O2的重组，它们可以分别从燃料电池的阳极和阴极扩散到离子导电膜中，以产生水。离子导电膜还可包含嵌入在该离子导电膜的厚度内的增强材料，诸如平面多孔材料(例如USRE37307中所述的膨体聚四氟乙烯(ePTFE)，以提供离子导电膜的改善的机械强度，诸如增强的抗撕裂性和减少的水合和脱水时的尺寸变化，并因此进一步增加膜电极组件的耐久性和结合了本发明的催化离子导电膜的燃料电池的寿命。
第一电催化剂层和第二电催化剂层包含电催化剂。所用的确切电催化剂将取决于其旨在催化的反应，并且其选择在技术人员的能力范围内。电催化剂可以是阴极或阳极电催化剂，优选地为燃料电池或电解槽的阴极或阳极电催化剂，更优选地为质子交换膜燃料电池或电解槽。电催化剂合适地选自：
(i)铂族金属(铂、钯、铑、钌、铱和锇)；
(ii)金或银；
(iii)贱金属；
或包含这些金属或其氧化物中的一种或多种的合金或混合物。贱金属是锡或不是贵金属的过渡金属。贵金属是铂族金属(铂、钯、铑、钌、铱或锇)或金。优选的贱金属是铜、钴、镍、锌、铁、钛、钼、钒、锰、铌、钽、铬和锡。通常，电催化剂包括铂族金属或铂族金属优选地与贱金属(如上文所定义的优选的贱金属)的合金。具体地讲，电催化剂包括铂或铂与贱金属(如上文所定义的优选的贱金属，更优选镍或钴、最优选镍)的合金。铂与合金金属的原子比通常在3:1至1:3的范围内并且包括3:1至1:3。
如果第一电催化剂层是阴极，则第二电催化剂层将是阳极，反之亦然。电催化剂层的特征诸如厚度、电催化剂载量、孔隙率、孔径分布、平均孔径和疏水性将取决于其是用于阳极还是阴极。在燃料电池阳极中，电催化剂层厚度合适地为至少1μm，通常为至少5μm。在燃料电池阳极中，电催化剂层厚度合适地不超过15μm，通常不超过10μm。在燃料电池阴极中，电催化剂层厚度合适地为至少2μm，通常为至少5μm。在燃料电池阴极中，电催化剂层厚度合适地不超过20μm，通常不超过15μm。电催化剂层中的电催化剂载量还将取决于预期用途。在该上下文中，电催化剂载量意味着电催化剂层中活性金属(例如铂族)的量。
电催化剂层优选地包含离子导电聚合物，诸如质子导电离聚物，以改善层的离子电导率。因此，离子导电材料可包括离聚物，诸如全氟磺酸材料(例如
Figure BDA0003983079560000081
(ChemoursCompany)、
Figure BDA0003983079560000082
(Asahi Kasei)、
Figure BDA0003983079560000083
(Solvay Specialty Polymer)、
Figure BDA0003983079560000084
(Asahi Glass Co.)和由
Figure BDA0003983079560000085
供应的全氟磺酸离聚物材料)，或基于部分氟化或非氟化烃磺化或膦化聚合物的离聚物，诸如购自FuMA-Tech GmbH(以
Figure BDA0003983079560000086
P、E或K系列产品)、JSRCorporation、Toyobo Corporation等的那些。合适地，离聚物是全氟磺酸，具体为购自Chemours Company的
Figure BDA0003983079560000087
系列(尤其是
Figure BDA0003983079560000088
1100EW)，以及购自Solvay的
Figure BDA0003983079560000089
系列(尤其是
Figure BDA00039830795600000810
830EW)。
电催化剂层可包含附加组分。此类组分包括但不限于：析氧催化剂；过氧化氢分解催化剂；疏水性添加剂(例如，经过或不经过表面处理的聚合物(诸如聚四氟乙烯(PTFE)或无机固体)或亲水性添加剂以控制反应物和水的传输特性。附加组分的选择将取决于电催化剂层是用于阳极还是用于阴极，并且确定哪些附加组分是合适的在技术人员的能力范围内。
第一气体扩散层和第二气体扩散层包括气体扩散基底和优选的微孔层。典型的气体扩散基底包括包含碳纤维网和热固性树脂粘结剂的非织造纸或网(例如，购自日本TorayIndustries Inc.的TGP-H系列碳纤维纸，或购自德国Freudenberg FCCT KG的H2315系列，或购自德国SGL Technologies GmbH的
Figure BDA00039830795600000811
系列，或来自Ballard Power SystemsInc.的
Figure BDA00039830795600000812
系列)，或者织造碳布。在制造电极和掺入膜电极组件中之前，碳纸、网或布可设置有预处理以使其更易润湿(亲水)或更防水(疏水)。任何处理的性质将取决于燃料电池的类型和将使用的操作条件。可通过经由从液体悬浮液浸渍掺入材料(诸如无定形碳黑)而使基底更具可润湿性，或者可通过用聚合物(诸如PTFE或聚氟乙烯丙烯(FEP))的胶态悬浮液浸渍基底的孔结构，然后进行干燥并加热至高于聚合物的熔点而使基底更具疏水性。典型的微孔层包含碳黑和聚合物(诸如聚四氟乙烯(PTFE))的混合物。
第一气体扩散层和第二气体扩散层分别与带子垫片的膜电极组件的整个第一有源区域和第二有源区域重叠。第一气体扩散层优选地与第一子垫片中的孔周围的该第一子垫片的所有内边缘重叠，并且第二气体扩散层优选地与第二子垫片中的孔周围的该第二子垫片的所有内边缘重叠。第一气体扩散层和第二气体扩散层优选地分别不延伸到第一子垫片和第二子垫片的外周边缘。第一气体扩散层和第二气体扩散层的中心点可在贯通面方向上对准。另外，第一气体扩散层和第二气体扩散层的边缘可在贯通面方向上对准。
第一气体扩散层和第二气体扩散层以单独单元形式施加，所述单独单元可例如从卷材切割，所述切割可通过手动或以自动化工艺进行。本领域技术人员将知道可将第一气体扩散层和第二气体扩散层施加到带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜上的方式。例如，可手动地或通过雾化机械臂将单元化的气体扩散层转移到带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜上，所述雾化机械臂可使用例如真空抽吸来拾取和放置气体扩散层。第一气体扩散层和第二气体扩散层可基本上同时施加，或者它们可以依次施加。例如，可通过使用夹具有利于第一气体扩散层和第二气体扩散层的添加。
在该方法的步骤ii)中提供的第一粘合剂轨道和第二粘合剂轨道可各自独立地包含连续(即未断裂)或不连续(即断裂)的粘合剂。粘合剂优选为不连续的，优选地呈粘合剂小珠的形式。此类小珠优选等距间隔。两个轨道均包含粘合剂，该粘合剂可在施加超声能量时被处理以形成粘结部，例如软化和流动。第一粘合剂轨道和第二粘合剂轨道两者均优选地包含相同的粘合剂。超声能量可被定义为介于15kHz和50kHz之间的机械振荡。粘合剂可包括任何可熔融加工的热塑性粘合剂。例如，热熔融粘合剂诸如热熔融塑性粘合剂，具体地聚合物粘合剂。适当地，粘合剂为聚烯烃粘合剂，例如简单烯烃(诸如CnH2n烯烃，诸如丙烯或乙烯)的聚合物。粘合剂也可以为聚-α-烯烃。粘合剂也可以为基于乙基乙酸乙烯酯(EVA)、PVC、PVA、聚苯乙烯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚酰胺和聚氨酯的聚合物和共聚物的热熔融粘合剂。优选地，粘合剂为热熔融聚烯烃粘合剂。具体的材料包括例如来自以下的那些：得自
Figure BDA0003983079560000101
的Technomelt
Figure BDA0003983079560000102
系列，包括Technomelt
Figure BDA0003983079560000103
100Cool，其提供100℃下的1,000mPas至1,5000mPas粘度，以及80℃至90℃的凝固点；得自
Figure BDA0003983079560000104
的Technomelt
Figure BDA0003983079560000105
150Cool，其提供160℃下的2100-2600mPas粘度，并具有96℃至106℃的软化点。第一粘合剂轨道可通过将粘合剂直接施加到第一子垫片来提供，并且第二粘合剂轨道可通过将粘合剂直接施加到第二子垫片来提供。另外，第一粘合剂轨道可通过将粘合剂直接施加到第一气体扩散层来提供，并且第二粘合剂轨道可通过将粘合剂直接施加到第二气体扩散层来提供。优选地，将第一粘合剂轨道施加到第一气体扩散层并且将第二粘合剂轨道施加到第二气体扩散层。第一粘合剂轨道和第二粘合剂轨道分别至少部分地围绕第一子垫片和第二子垫片中的孔，优选地分别完全围绕第一子垫片和第二子垫片中的孔，使得第一粘合剂轨道和第二粘合剂轨道框住第一有源区域和第二有源区域。优选地，第一粘合剂轨道和第二粘合剂轨道重叠。换句话说，第一粘合剂轨道和第二粘合剂轨道在贯通面方向上对准。第一子垫片和第二子垫片的内边缘分别与第一粘合剂轨道和第二粘合剂轨道之间的距离没有特别限制，并且取决于例如第一气体扩散层和第二气体扩散层分别与第一子垫片和第二子垫片之间的重叠程度以及所生产的部件的期望尺寸。第一粘合剂轨道和第二粘合剂轨道的宽度没有特别限制，并且可以例如在0.5mm至3.0mm的范围内并且包括0.5mm至3.0mm。在该轨道包括粘合剂小珠的情况下，该宽度对应于该小珠的平均直径。
施加超声能量使得粘合剂流入到气体扩散层中，同时保持与子垫片接触，这有利于分别在第一气体扩散和第二气体扩散层与第一子垫片和第二子垫片之间形成粘结部。换句话说，超声能量导致粘合剂熔融并浸渍气体扩散层。如果微孔层存在于气体扩散层中，则优选粘合剂流入到微孔层中并且不进入到气体扩散基底中。然而，一些粘合剂可流入到气体扩散基底中。优选地，粘合剂流入到气体扩散基底中至最大距离不超过该气体扩散基底厚度的75％，优选地不超过该气体扩散基底厚度的50％，更优选地不超过该气体扩散基底厚度的25％(为了避免疑问，这不包括微孔层的厚度)。粘合剂流入到气体扩散基底中的距离不一定是均匀的，并且最大流动距离可以例如为已流入到气体扩散基底中的粘合剂弧的峰。最大流动距离可通过例如在施加超声能量期间所施加的压力和施加超声能量的时间段来控制。本发明的一个令人惊讶的优点是，在该组件的两个面上的粘合剂轨道将在仅向单个面施加超声能量的情况下在子垫片与气体扩散层之间形粘结部。此外，有利的是，在微孔层中存在允许粘合剂自由流入到气体扩散基底中的缺陷的情况下，可控制流动距离。气体扩散基底中的粘合剂过多可导致例如燃料电池组中气体扩散基底的压缩问题。
优选地使用超声焊极(也称为变幅杆)施加超声能量，该超声焊极在适当地在15kHz至50kHz范围内并且包括15kHz至50kHz的频率和适当地在0.01mm至4.0mm范围内并且包括0.01mm至4.0mm的振幅下操作。发电机以期望的频率产生电振荡，该电振荡然后被传递到转换器，在该转换器中晶体膨胀和收缩，从而产生相同频率的机械振动。这些振动被传递到超声焊极，在本发明中，使该超声焊极与中间构造的单个面接触。因此，优选地通过使超声焊极与中间构造的单个面(适当地为第一气体扩散层或第二气体扩散层)接触来将超声能量施加到中间构造的单个面。为了在中间构造的存在粘合剂轨道的区域上施加超声能量，该超声焊极遵循粘合剂轨道的路径。换句话说，超声焊极遵循第一气体扩散层或第二气体扩散层上的路径，该路径与粘合剂轨道在贯通面方向上对准。
在施加超声能量期间，通过例如将相对面放置在充当砧的水平方向地水平表面(即基板)上来支撑中间构造。因此，所施加的压力通过控制水平表面(即基板)与超声焊极的尖端之间的距离(下文称为间隙)来控制。所需间隙取决于所使用的材料的厚度并且一般来讲可以例如在0.05mm至0.7mm的范围内并且包括0.05mm至0.7mm。所需能量可取决于例如所用的特定粘合剂，并且与施加超声能量期间的时间段成比例。通常，所输入能量的量可以例如在350J至2000J的范围内并且包括350J至2000J。典型地，施加超声能量并持续至少0.1秒，并且合适地不超过5秒，合适地不超过2秒，优选地不超过1秒的时间。粘结所需的相对短的时间段是有利的，因为它加速了制造带子垫片的膜电极组件的过程。添加气体扩散层并形成粘结部的步骤通常是制造带子垫片的膜电极组件的瓶颈。
转到附图，图1a提供了带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜1的剖视图，其包括离子导电膜2、第一电催化剂层3和第二电催化剂层4以及第一子垫片5和第二子垫片6。从所示的角度来看，在该特定的带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜中，离子导电膜2和电催化剂层3和4是共端的，并且不延伸到所示的第一子垫片5和第二子垫片6的外周边缘。孔7和8由第一子垫片5和第二子垫片6的内边缘9和10限定，从而提供带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜的有源区域。图1b是带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜，其中，从所示的角度来看，离子导电膜2延伸到所示的第一子垫片5和第二子垫片6的外周边缘，但第一电催化剂层3和第二电催化剂层4不延伸。图1c是带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜，其中，从所示的角度来看，离子导电膜2以及第一电催化剂层3和第二电催化剂层4都延伸到所示的第一子垫片5和第二子垫片6的外周边缘。图1d是带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜，其中，从所示的角度来看，离子导电膜延伸到所示的第一子垫片5和第二子垫片6的外周边缘，但是第一电催化剂层3和第二电催化剂层4设置在第一子垫片5和第二子垫片6中的孔7和8内，并且不与第一子垫片5和第二子垫片6的任何内边缘重叠。
图2a示出了第一气体扩散层11和第二气体扩散层12，该气体扩散层邻近具有与图1a所示的相同剖面构造的带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜1的相对面定位。由可熔融加工的聚烯烃粘合剂的小珠形成的第一粘合剂轨道13和第二粘合剂轨道14分别存在于第一气体扩散层11和第二气体扩散层12上，并且遵循气体扩散层11和12的边缘以及第一子垫片和第二子垫片的内边缘9和10。第一气体扩散层11和第二气体扩散层12、第一粘合剂轨道13和第二粘合剂轨道14以及孔7和8在贯通面方向16上对准。第一气体扩散层11和第二气体扩散层12施加到第一子垫片5和第二子垫片6以提供如图2b所示的中间构造17。通过使超声焊极15与第一气体扩散层11接触并在包括粘合剂轨道13和14的区域上移动超声焊极15来施加超声能量，同时该组件位于基板(砧)18上，从而形成带子垫片的膜电极组件。
图3示出了一个示例，其中利用得自
Figure BDA0003983079560000121
的热熔融聚烯烃粘合剂
Figure BDA0003983079560000122
Supra 100Cool将包含碳纤维和微孔层(MPL)的单个
Figure BDA0003983079560000123
MB30气体扩散层(GDL)粘附至聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)子垫片。使用吻切机将GDL切割成正确尺寸。然后将该GDL放置在夹具中，该夹具允许GDL的周边具有施加于其上的热熔融聚烯烃粘合剂的离散小珠。然后将GDL放置在具有子垫片的夹具中。一旦处于适当位置，就使用
Figure BDA0003983079560000124
20kHz台式机器将超声能量施加到GDL以在子垫片与GDL之间形成粘结部，其中所施加的压力为1巴。在五秒内施加700J。如图3中可见，粘合剂保持与子垫片接触，并渗透到MPL中并且部分地渗透到GDL中，但还没有达到在GDL中产生压缩问题的程度。
图4示出了根据本发明制造的带子垫片的膜电极组件的示例，其使用各自包含碳纤维和MPL的两个
Figure BDA0003983079560000131
MB30 GDL，以及25μm厚PEN的第一子垫片和第二子垫片，该子垫片粘附至催化剂涂覆的膜(CCM)。使用吻切机将GDL切割成正确尺寸。然后将GDL放置在夹具中，该夹具允许GDL的周边具有施加于其上的得自
Figure BDA0003983079560000132
的热熔融聚烯烃粘合剂
Figure BDA0003983079560000133
Supra 100Cool的离散小珠。一旦两片GDL粘上胶珠，就将它们放置在CCM的任一侧的夹具中，该夹具的目的是确保GDL与CCM彼此正确地对准。一旦处于基板(砧)上的适当位置，就使用
Figure BDA0003983079560000134
20kHz台式机器将超声能量施加到该组件的单个面，以在子垫片与GDL之间形成粘结部，其中所施加的压力为1巴，并且变幅杆和砧之间的硬止动间隙设定为最小值0.6mm。在四秒内施加560J的总能量。如图4中可见，两侧上的粘合剂保持与子垫片接触，并且渗透GDL。由于MPL中的缺陷，一些粘合剂已经渗透穿过下GDL，但没有达到将导致GDL的压缩问题的程度。
为了制备附图中所示的横截面，采集感兴趣区域的样品(2.5cm×1.5cm，其中较长的尺寸是将被观察到的方面)。然后将这些样品垂直地安装在将多个样品彼此分开的纸材保持器中。然后，在用脱模剂涂覆模具后，将含有样品的纸材保持器放置到直径为2.6cm的塑料模具中，其中目标面位于底部。然后将冷固化环氧树脂(EpoxyCure 2，
Figure BDA0003983079560000135
)倒在样品上以将其完全覆盖。然后将模具置于真空室中，并将压力降低至0.3巴，以便有助于除去滞留在样品中的空气。一旦完成，将模具转移到压力容器中并置于80psi的压力下直到树脂固化(24小时)。
24小时后，将模具从压力容器中取出并将树脂从模具中取出。然后使用
Figure BDA0003983079560000136
AutoMet研磨抛光机在连续阶段中抛光树脂的目标表面，该阶段以
Figure BDA0003983079560000137
MasterPrepPolishing Suspension 0.05μm结束。这赋予样品平滑表面，从而允许使用光学显微镜将横截面清晰地成像。可使用连续的抛光操作来将横截面向下移动通过样品。

Claims (17)

1.一种用于制造带子垫片的膜电极组件的方法，所述方法包括以下步骤：
i)提供带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜，其中所述带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜包括：
a)催化剂涂覆的离子导电膜，其包括设置在第一电催化剂层和第二电催化剂层之间的离子导电膜；
c)第一子垫片和第二子垫片，其各自具有由每个相应子垫片的内边缘限定的孔；
其中所述催化剂涂覆的离子导电膜设置在所述第一子垫片和所述第二子垫片之间，并且所述第一电催化剂层和所述第二电催化剂层分别通过所述第一子垫片和所述第二子垫片的孔暴露，
以分别提供第一有源区域和第二有源区域；
ii)通过将第一气体扩散层和第二气体扩散层分别施加到分别在所述第一子垫片和所述第二子垫片中的所述孔上方的所述带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜的相对面，使得所述第一气体扩散层与整个第一有源区域以及所述第一子垫片的一个或多个内边缘重叠，并且所述第二气体扩散层与整个第二有源区域以及所述第二子垫片的一个或多个内边缘重叠，来形成中间构造；
其中提供第一粘合剂轨道以将所述第一气体扩散层粘结到所述第一子垫片并且提供第二粘合剂轨道以将所述第二气体扩散层粘结到所述第二子垫片；
iii)向来自步骤ii)的所述中间构造的单个面施加超声能量，以使所述第一粘合剂轨道和所述第二粘合剂轨道中的粘合剂流动并分别在所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层与所述第一子垫片和所述第二子垫片之间形成粘结部，从而形成带子垫片的膜电极组件，其中所述超声能量仅施加在存在所述第一粘合剂轨道和所述第二粘合剂轨道的区域上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤iii)中，通过使超声焊极与所述第一气体扩散层或所述第二气体扩散层接触来施加所述超声能量，其中所述超声焊极遵循所述第一气体扩散层或所述第二气体扩散层上的路径，其中所述路径与所述第一粘合剂轨道和所述第二粘合剂轨道在贯通面方向上对准。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中在步骤iii)中，所述中间构造承载在水平方向地水平表面上，所述水平表面存在于施加超声能量的相对面上。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述第一粘合剂轨道和所述第二粘合剂轨道中的粘合剂是热熔融聚烯烃粘合剂。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中在步骤i)中，所述带子垫片的催化剂涂覆的离子导电膜以单个单元形式提供。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述第一粘合剂轨道通过将所述粘合剂直接施加到所述第一子垫片来提供。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述第二粘合剂轨道通过将所述粘合剂直接施加到所述第二子垫片来提供。
8.根据权利要求1至5或7中任一项所述的方法，其中所述第一粘合剂轨道通过将所述粘合剂直接施加到所述第一气体扩散层来提供。
9.根据权利要求1至6或8中任一项所述的方法，其中所述第二粘合剂轨道通过将所述粘合剂直接施加到所述第二气体扩散层来提供。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述第一粘合剂轨道完全围绕所述第一子垫片中的所述孔。
11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述第二粘合剂轨道完全围绕所述第二子垫片中的所述孔。
12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述第一粘合剂轨道和所述第二粘合剂轨道包括粘合剂小珠。
13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中在步骤iii)期间将压力施加到所述带子垫片的膜电极上。
14.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述离子导电膜不延伸到所述第一子垫片和所述第二子垫片的一个或多个外周边缘。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中所述离子导电膜延伸到所述第一子垫片和所述第二子垫片的所有外周边缘。
16.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述第一电催化剂层和所述第二电催化剂层分别设置在所述第一子垫片和所述第二子垫片中的孔内，并且不与所述第一子垫片和所述第二子垫片的任何内边缘重叠。
17.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中所述第一电催化剂层和所述第二电催化剂层不分别延伸到所述第一子垫片和所述第二子垫片的一个或多个外周边缘。
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