CN116057737A - 膜电极组件及其制造方法 - Google Patents

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CN116057737A CN202180057991.5A CN202180057991A CN116057737A CN 116057737 A CN116057737 A CN 116057737A CN 202180057991 A CN202180057991 A CN 202180057991A CN 116057737 A CN116057737 A CN 116057737A
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Abstract

本发明公开了一种膜电极组件及其制造方法，其中电极被模块化为易劣化部分和剩余部分，以通过更换劣化的模块来方便地修理，从而能够减少用于维护和修理的时间和成本。本发明的膜电极组件包括：第一电极；第二电极；和位于所述第一电极与所述第二电极之间的电解质膜，其中，所述第一电极包括彼此可分离的第一电极模块和第二电极模块。

Description

膜电极组件及其制造方法
技术领域
本公开涉及一种膜电极组件和包括该膜电极组件的燃料电池，更具体地涉及一种膜电极组件及其制造方法，所述膜电极组件被配置为使得电极被模块化为易劣化部分和剩余部分，由此，通过更换劣化的模块而容易地修理所述膜电极组件，因此，减少了用于维护膜电极组件的时间和费用。
背景技术
聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)被配置为利用其中各自包括膜电极组件(MEA)和隔膜(也称为双极板)的单元电池堆叠的结构来发电，由于其高能量效率和环境友好特性，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)和设置在它们之间的聚合物电解质膜(PEM)。
当向阳极供应诸如氢气的燃料时，作为氢氧化反应的结果，在阳极处产生氢离子(H+)和电子(e-)。生成的氢离子通过聚合物电解质膜(PEM)转移至阴极，生成的电子通过外部电路转移至阴极。供应至阴极的空气中的氧与氢离子和电子结合而被还原，从而生成水。
通常，由于燃料电池的长时间操作引起的电极劣化主要发生在电极的特定部分(例如，对应于气体入口/出口的电极的部分；以下称为“易劣化部分”)，而不是在电极的整个区域上。因此，当由于燃料电池的长时间操作使得易劣化部分劣化时，即使剩余部分可以正常地用作电极，也需要丢弃或更换整个电极或整个膜电极组件，这增加了用于维护膜电极组件的时间和费用，并且也引起资源浪费。
发明内容
技术问题
因此，本公开涉及一种能够解决由于上述相关技术的限制和缺点引起的问题的膜电极组件和制造该膜电极组件的方法。
本公开的一个方面是提供一种膜电极组件，其被配置为使得电极被模块化为易劣化部分和剩余部分，由此，通过更换劣化的模块而容易地修理所述膜电极组件，因此，减少了用于维护所述膜电极组件的时间和费用。
本公开的另一方面是提供一种制造膜电极组件的方法，所述膜电极组件被配置为使得电极被模块化为易劣化部分和剩余部分，由此，通过更换劣化的模块而容易地修理所述膜电极组件，因此，减少了用于维护膜电极组件的时间和费用。
除了上述目的之外，本公开的其它特征和优点将在下文中描述，或者将由本公开所属领域的技术人员从以下描述中清楚地理解。
技术方案
根据本公开的方面，提供一种膜电极组件，包括：第一电极、第二电极和所述第一电极与所述第二电极之间的电解质膜，其中，所述第一电极包括彼此可分离的第一电极模块和第二电极模块。
所述第一电极模块和所述第二电极模块可以彼此接触，并且在所述第一电极模块和所述第二电极模块之间可以存在可见边界，该可见边界由于选自第一电极模块与第二电极模块之间的凹槽、第一电极模块与第二电极模块之间的颜色差异以及第一电极模块与第二电极模块之间的结构差异中的至少一个引起。
所述第一电极模块和所述第二电极模块可以彼此间隔开，并且在第一电极模块与第二电极模块之间可以存在由第一电极模块和第二电极模块之间的间隔产生的可视边界。
所述膜电极组件还可以包括第一气体扩散层，其中，所述第一气体扩散层可以设置为使得第一电极位于第一气体扩散层与电解质膜之间，所述第一气体扩散层可以包括粘接至第一电极模块的第一气体扩散模块和粘接至第二电极模块的第二气体扩散模块，并且所述第一气体扩散模块和所述第二气体扩散模块可以彼此分离。
或者，所述膜电极组件还可以包括第一气体扩散层，其中，所述第一气体扩散层可以设置为使得第一电极位于第一气体扩散层与电解质膜之间，并且所述膜电极组件还可以包括在第一电极模块和第二电极模块中的一个与第一气体扩散层之间的粘合剂层。
所述电解质膜可以包括彼此可分离的第一膜模块和第二膜模块，所述第二电极可以包括彼此可分离的第三电极模块和第四电极模块，所述膜电极组件可以包括彼此可分离的第一组件模块和第二组件模块，所述第一组件模块可以包括第一电极模块、第三电极模块和位于第一电极模块与第三电极模块之间的第一膜模块，所述第二组件模块可以包括第二电极模块、第四电极模块和位于第二电极模块与第四电极模块之间的第二膜模块。
第一膜模块可以具有与第一电极模块和第三电极模块接触的活性区和围绕该活性区的非活性区，第二膜模块可以具有与第二电极模块和第四电极模块接触的活性区和围绕该活性区的非活性区，第一组件模块还可以包括设置在第一膜模块的非活性区中的第一子垫圈模块和第三子垫圈模块，所述第一子垫圈模块和所述第三子垫圈模块分别围绕第一电极模块和第三电极模块，第二组件模块还可以包括设置在第二膜模块的非活性区中的第二子垫圈模块和第四子垫圈模块，所述第二子垫圈模块和所述第四子垫圈模块分别围绕第二电极模块和第四电极模块。
第一组件模块可以包括覆盖第一电极模块的第一气体扩散模块和覆盖第三电极模块的第三气体扩散模块，所述第一电极模块设置在第一膜模块与第一气体扩散模块之间，所述第三电极模块设置在第一膜模块与第三气体扩散模块之间，并且第二组件模块可以包括覆盖第二电极模块的第二气体扩散模块和覆盖第四电极模块的第四气体扩散模块，所述第二电极模块设置在第二膜模块与第二气体扩散模块之间，所述第四电极模块设置在第二膜模块与第四气体扩散模块之间。
所述膜电极组件还可以包括：第一弹性垫圈，其具有被配置为使得第一气体扩散模块和第二气体扩散模块能够分别通过其暴露的第一窗口和第二窗口，该第一弹性垫圈与第一子垫圈模块和第二子垫圈模块接触；和第二弹性垫圈，其具有被配置为使得第三气体扩散模块和第四气体扩散模块能够分别通过其暴露的第三窗口和第四窗口，该第二弹性垫圈与第三子垫圈模块和第四子垫圈模块接触。
第一弹性垫圈可以包括第一窗口与第二窗口之间的第一边界区域，该第一边界区域与第一子垫圈模块和第二子垫圈模块两者接触，以防止气体通过第一组件模块与第二组件模块之间的间隙泄漏，第二弹性垫圈可以包括第三窗口与第四窗口之间的第二边界区域，该第二边界区域与第三子垫圈模块和第四子垫圈模块两者接触，以防止气体通过第一组件模块与第二组件模块之间的间隙泄漏，所述第一边界区域可以具有多个第一凹槽，被配置为使得第一窗口和第二窗口能够在其与接触第一子垫圈模块和第二子垫圈模块的表面相对的表面上通过所述多个第一凹槽彼此流体连通，并且所述第二边界区域可以具有多个第二凹槽，被配置为使得第三窗口和第四窗口能够在其与接触第三子垫圈模块和第四子垫圈模块的表面相对的表面上通过所述多个第二凹槽彼此流体连通。
或者，所述第一弹性垫圈可以包括第一窗口与第二窗口之间的第一边界区域，该第一边界区域与第一子垫圈模块和第二子垫圈模块两者接触，以防止气体通过第一组件模块与第二组件模块之间的间隙泄漏，所述第二弹性垫圈可以包括第三窗口与第四窗口之间的第二边界区域，该第二边界区域与第三子垫圈模块和第四子垫圈模块两者接触，以防止气体通过第一组件模块与第二组件模块之间的间隙泄漏，所述第一边界区域可以包括与第一子垫圈模块和第二子垫圈模块接触的第一无孔弹性层和在该第一无孔弹性层上的第一多孔弹性层，并且所述第二边界区域可以包括与第三子垫圈模块和第四子垫圈模块接触的第二无孔弹性层和在该第二无孔弹性层上的第二多孔弹性层。
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：在电解质膜的第一表面上形成第一电极；和在所述电解质膜的第二表面上形成第二电极，所述第二表面与所述第一表面相对，其中，所述第一电极包括彼此可分离的第一电极模块和第二电极模块。
所述方法还可以包括在所述第一电极上形成第一气体扩散层。
形成第一气体扩散层可以包括在第一电极模块上形成第一气体扩散模块和在第二电极模块上形成第二气体扩散模块，并且第一气体扩散模块和第二气体扩散模块可以以第一气体扩散模块和第二气体扩散模块彼此可分离的方式形成。
所述方法还可以包括在紧临形成第一气体扩散层之前将粘合剂施加至第一电极模块和第二电极模块中的仅一个上。
所述电解质膜可以包括彼此可分离的第一膜模块和第二膜模块，所述第二电极可以包括彼此可分离的第三电极模块和第四电极模块，形成第一电极(1110)可以包括在第一膜模块的第一表面上形成第一电极模块和在第二膜模块的第一表面上形成第二电极模块，形成第二电极可以包括在第一膜模块的第二表面上形成第三电极模块和在第二膜模块的第二表面上形成第四电极模块，并且所述方法还可以包括：将包括第一电极模块、第三电极模块和在第一电极模块与第三电极模块之间的第一膜模块的第一组件模块，以及包括第二电极模块、第四电极模块和在第二电极模块与第四电极模块之间的第二膜模块的第二组件模块以第一组件模块和第二组件模块彼此相邻的方式布置。
第一膜模块可以具有与第一电极模块和第三电极模块接触的活性区和围绕该活性区的非活性区，第二膜模块可以具有与第二电极模块和第四电极模块接触的活性区和围绕该活性区的非活性区，并且所述方法还可以包括：在将所述第一组件模块和所述第二组件模块以彼此相邻的方式布置之前，在第一膜模块的非活性区中形成分别围绕第一电极模块和第三电极模块的第一子垫圈模块和第三子垫圈模块，以得到第一组件模块；和在第二膜模块的非活性区中形成分别围绕第二电极模块和第四电极模块的第二子垫圈模块和第四子垫圈模块，以得到第二组件模块(1102)。
所述方法还可以包括：在将所述第一组件模块和所述第二组件模块以彼此相邻的方式布置之前，在第一电极模块上形成第一气体扩散模块并在第三电极模块上形成第三气体扩散模块，以得到第一组件模块；和在第二电极模块上形成第二气体扩散模块并在第四电极模块上形成第四气体扩散模块，以得到第二组件模块。
所述方法还可以包括：在将所述第一组件模块和所述第二组件模块以彼此相邻的方式布置之后，在第一子垫圈模块和第二子垫圈模块上形成第一弹性垫圈，该第一弹性垫圈具有被配置为使得第一气体扩散模块和第二气体扩散模块能够分别通过其暴露的第一窗口和第二窗口；和在第三子垫圈模块和第四子垫圈模块上形成第二弹性垫圈，该第二弹性垫圈具有被配置为使得第三气体扩散模块和第四气体扩散模块能够分别通过其暴露的第三窗口和第四窗口。
第一弹性垫圈可以包括第一窗口与第二窗口之间的第一边界区域，该第一边界区域与第一子垫圈模块和第二子垫圈模块两者接触，以防止气体通过第一组件模块与第二组件模块之间的间隙泄漏，第二弹性垫圈可以包括第三窗口与第四窗口之间的第二边界区域，该第二边界区域与第三子垫圈模块和第四子垫圈模块两者接触，以防止气体通过第一组件模块与第二组件模块之间的间隙泄漏，所述第一边界区域可以具有：(i)具有多个第一凹槽的流路结构，被配置为使得第一窗口和第二窗口能够在其与接触第一子垫圈模块和第二子垫圈模块的表面相对的表面上通过所述多个第一凹槽彼此流体连通，或(ii)双层结构，包括与第一子垫圈模块和第二子垫圈模块接触的第一无孔弹性层和在该第一无孔弹性层上的第一多孔弹性层，所述第二边界区域可以具有：(i)具有多个第二凹槽的流路结构，被配置为使得第三窗口和第四窗口能够在其与接触第三子垫圈模块和第四子垫圈模块的表面相对的表面上通过所述多个第二凹槽彼此流体连通，或(ii)双层结构，包括与第三子垫圈模块和第四子垫圈模块接触的第二无孔弹性层和在该第一无孔弹性层上的第二多孔弹性层。
提供上面给出的本公开的常规描述仅用于说明或描述本公开，并且不限制本公开的权利范围。
有益效果
根据本公开，膜电极组件的电极被模块化为易劣化部分和剩余部分。因此，当由于燃料电池的长时间操作，易劣化部分比剩余部分更早劣化时，可以用新模块仅更换劣化的部分(即，劣化模块)，而不需要丢弃或更换整个电极(或整个膜电极组件)。因此，根据本公开，可以显著减少用于维护膜电极组件的时间和费用，并且可以增加膜电极组件的寿命。
此外，根据本公开，由于可以仅更换劣化的模块，并且可以连续使用电极的剩余部分(即，未劣化模块)，因此，可以使资源浪费最小化。
附图说明
包括附图以帮助理解本公开，并入附图并构成本说明书的一部分，附图示出了本公开的实施方案，并且与本公开的详细描述一起用于说明本公开的原理。
图1(a)和图1(b)分别是根据本公开的一个实施方案的膜电极组件的平面图和截面图；
图2是根据本公开的一个实施方案的膜电极组件的截面图；
图3是根据本公开的另一实施方案的膜电极组件的截面图；
图4是根据本公开的又一实施方案的膜电极组件的截面图；
图5是根据本公开的一个实施方案的燃料电池的截面图；
图6是根据本公开的另一实施方案的燃料电池的截面图；
图7示出了根据本公开的一个实施方案的隔膜中的流动通道；
图8(a)和图8(b)分别是根据本公开的另一实施方案的膜电极组件的平面图和截面图；
图9是根据本公开的另一实施方案的膜电极组件的截面图；
图10(a)是根据本公开的一个实施方案的弹性垫圈的平面图；
图10(b)是应用图10(a)的弹性垫圈的膜电极组件的截面图；
图11是图10(b)的膜电极组件的分解截面图；
图12(a)和图12(b)分别是根据本公开的另一实施方案的弹性垫圈的平面图和局部截面图；
图12(c)是应用图12(a)和图12(b)的弹性垫圈的膜电极组件的截面图；
图13(a)和图13(b)分别是根据本公开的又一实施方案的弹性垫圈的平面图和局部截面图；
图13(c)是应用图13(a)和图13(b)的弹性垫圈的膜电极组件的截面图。
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，示例性地提供下面的实施方案仅用于清楚地理解本公开，并且不限制本公开的范围。
图1(a)和图1(b)分别是根据本公开的一个实施方案的膜电极组件1100的平面图和截面图。
如图1中所示，根据本公开的膜电极组件1100包括：第一电极1110、第二电极1120和位于第一电极1110与第二电极1120之间的电解质膜1130。
电解质膜1130可以是：(i)由离聚物形成的单膜型聚合物电解质膜；或(ii)包括用离聚物浸渍的多孔支撑体的增强复合膜型聚合物电解质膜。
在上述两种类型的电解质膜1130中，所述离聚物可以是氟类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、磺酰胺基和磺酸氟基中的至少一种离子交换基团。
例如，所述离聚物可以是氟类离聚物，如聚(全氟磺酸)、聚(全氟羧酸)等。
或者，所述离聚物可以是烃类离聚物，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(sulfonated polyphenylene sulfone)、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、磺化聚芳醚砜酮等。
可以用于增强复合膜型电解质膜1130中的多孔支撑体可以由聚四氟乙烯(PTFE)形成，或者可以由四氟乙烯与CF2＝CFCnF2n+1(n是1至5的实数)或CF2＝CFO-(CF2CF(CF3)O)mCnF2n+1(m是0至15的实数，n是1至15的实数)的共聚物形成。例如，PTFE可以在润滑剂的存在下挤出为带状，然后可以进行膨胀工艺和热处理工艺以形成膨胀膜型e-PTFE多孔支撑体。在热处理工艺之后，可以进一步进行额外的膨胀工艺和额外的热处理工艺。可以控制膨胀和热处理工艺以形成各种微结构e-PTFE多孔支撑体。例如，e-PTFE多孔支撑体可以具有其中节点通过原纤维彼此连接的微结构或仅由原纤维构成的微结构。
或者，所述多孔支撑体可以是非织造网。非织造网可以由支撑体形成用溶液形成，所述支撑体形成用溶液包含选自聚烯烃(例如，聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯等)、聚酯(例如，PET、PBT等)、聚酰胺(例如，尼龙-6、尼龙-6,6、芳族聚酰胺等)、聚酰胺酸(被成型为网，然后通过酰亚胺化工艺转化为聚酰亚胺)、聚氨酯、聚丁烯、聚乳酸、聚乙烯醇、聚苯硫醚(PPS)、聚砜、液晶聚合物、聚乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚丙烯腈、环状聚烯烃、聚甲醛和聚烯烃类热塑性弹性体中的至少一种烃类聚合物。
非织造网可以使用选自湿法成网、静电纺丝、梳理、扯松(garneting)、气流成网、熔喷、纺粘和缝编的方法制造。
通过贴花转印或使用包含催化剂、离聚物和分散介质的催化剂浆料直接涂布，可以分别在电解质膜1130的第一表面和与第一表面相对的第二表面上形成第一电极1110和第二电极1120。
为了增加催化剂的有效表面积，通常使用具有分散在导电载体上的金属粒子的催化剂。
该载体可以是(i)碳基载体，(ii)导电无机氧化物载体，如二氧化钛、氧化锆、氧化铝、二氧化硅或二氧化铈，或(iii)沸石载体。
碳基载体可以是结晶碳基载体或非结晶碳基载体。
具体地，碳基载体可以是石墨化或非石墨化的炭黑、活性碳、稳定碳、碳球、碳纤维、碳片、碳带(carbon ribbon)、富勒烯、碳纳米管(CNT)、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、碳气凝胶、石墨烯、有序多孔碳、中孔碳、纳米多孔碳或它们中的两种或更多种的组合。
本文中使用的术语“石墨化或非石墨化的炭黑”是如下概念，包括所有的石墨化或非石墨化的科琴黑、石墨化或非石墨化的Denka黑和石墨化或非石墨化的乙炔黑。
石墨化的炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维等可以被分类为结晶碳基载体，非石墨化的炭黑可以被分类为非结晶碳基载体。
所述金属粒子可以是铂(Pt)粒子或铂类合金粒子。所述铂类合金粒子可以是Pt-Co、Pt-Cr、Pt-Fe、Pt-Mn、Pt-Mo、Pt-Ni、Pt-Pd、Pt-Ru、Pt-Sn、Pt-W、Pt-Au-Co、Pt-Au-Fe、Pt-Au-Ni、Pt-Co-Fe、Pt-Co-Ir、Pt-Co-Mn、Pt-Co-Ni、Pt-Co-P、Pt-Co-S、Pt-Cr-Ir、Pt-Fe-Ir、Pt-Fe-P、Pt-Fe-S、Pt-Ni-Ir、Pt-Ru-Ir、Pt-Ru-Mo、Pt-Ru-Ni、Pt-Ru-W、Pt-Ru-Ir-Ni、Pt-Ru-Rh-Ni或Pt-Ru-Sn-W。
提供与催化剂一起分散在分散介质中的离聚物用于传递氢离子，并且还起到增加第一电极1110和第二电极1120与电解质膜1130之间的粘合强度的粘合剂的作用。
上述可以用于形成电解质膜1130的离聚物也可以用来形成第一电极1110和第二电极1120。优选地，电解质膜1130的离聚物和第一电极1110以及第二电极1120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电解质膜1130以及第一电极1110和第二电极1120。
催化剂浆料的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。
在本公开中，如图1中所示，第一电极1110包括彼此可分离的第一电极模块1111和第二电极模块1112。
即，根据本公开的制造膜电极组件1100的方法包括：在包括彼此相邻的第一区域和第二区域的电解质膜1130的第一表面上形成第一电极1110的步骤；和在电解质膜1130的第二表面上形成第二电极1120的步骤。此外，形成第一电极1110的步骤包括：在第一区域上形成第一电极模块1111的步骤；和在第二区域上形成第二电极模块1112的步骤。第一电极模块1111和第二电极模块1112以它们彼此可分离的方式形成。
本说明书中使用的术语“彼此可分离”是如下概念，包括：(i)彼此接触的两个物体可以彼此分离的含义；和(ii)通过预定间隔以彼此间隔开的状态布置的两个物体可以彼此远离的含义。
第一电极模块1111和第二电极模块1112可以在平行于电解质膜1130的表面的方向上并排地布置。
如前面所描述，由于燃料电池的长时间操作引起的第一电极1110的劣化主要发生在第一电极1110的特定部分，例如，第一电极的对应于气体入口和/或气体出口的部分，即易劣化部分处，而不是在第一电极的整个区域上。
在本公开中，膜电极组件1100的第一电极1110被模块化为对应于易劣化部分的第一电极模块1111和对应于剩余部分的第二电极模块1112。因此，当由于燃料电池的长时间操作，第一电极模块1111比第二电极模块1112更早劣化时，可以用新的电极模块仅更换劣化的第一电极模块1110，而不需要丢弃或更换整个第一电极1110或整个膜电极组件1100。因此，在本公开中，可以显著减少用于维护膜电极组件1100的时间和费用，并且可以增加膜电极组件1100的寿命。此外，由于可以仅更换劣化的第一电极模块1111，并且可以连续使用电极1110的剩余部分，即第二电极模块1112，因此，可以使资源浪费最小化。
在本公开的一个实施方案中，作为第一电极1110的易劣化部分的第一电极模块1111可以占据第一电极1110的整个活性区的50％以下。然而，本公开不限于此。
被模块化为第一电极模块1111和第二电极模块1112的第一电极1110可以是阳极或阴极。
膜电极组件1100的阳极和阴极中的仅一个可以模块化，或者阳极和阴极两者均可以模块化，如图1中所示。即，在本公开的一个实施方案中，不仅第一电极1110被模块化为第一电极模块1111和第二电极模块1112，而且第二电极1120被模块化为彼此可分离的第三电极模块1121和第四电极模块1122，如图1中所示。
图1示出了其中作为第一电极1110的易劣化部分的第一电极模块1111和作为第二电极1120的易劣化部分的第三电极模块1121以错开的方式布置的一个实例。然而，本公开不限于此。第一电极模块1111和第三电极模块1121可以以重叠的方式布置。
下文中，将主要描述第一电极1110的模块化。然而，本领域技术人员将很好地理解，同样也适用于第二电极1120。
为了便于更换劣化的第一电极模块1111，在第一电极模块1111与第二电极模块1112之间可以存在可见边界。
在本公开的一个实施方案中，如图2中所示，第一电极模块1111和第二电极模块1112可以彼此接触，并且可见边界可以由于第一电极模块1111与第二模块1112之间的凹槽G形成。当第二电极1120也被模块化为彼此可分离的第三电极模块1121和第四电极模块1122时，在它们之间也可以存在由第三电极模块1121与第四电极模块1122之间的凹槽G形成的可见边界。
可选地或附加地，第一电极模块1111和第二电极模块1112可以彼此接触，并且第一电极模块1111与第二电极模块1112之间的可见边界可以是由于构成第一电极模块1111和第二电极模块1112的材料之间的差异引起的第一电极模块1111与第二电极模块1112之间的颜色差异而形成。即，第一电极模块1111可以由第一催化剂浆料形成，第二电极模块1112可以由第二催化剂浆料形成，并且第一催化剂浆料可以不同于第二催化剂浆料。
第一电极模块1111和第二电极模块1112由不同的催化剂浆料形成的原因在于，作为第一电极1110的易劣化部分的第一电极模块1111可以形成为具有比第二电极模块1112更高的耐久性，由此，可以在不损害第二电极模块1112的性能或使第一电极1110的性能劣化最小化的情况下改善膜电极组件1100的整体耐久性。
例如，第一电极模块1111和第二电极模块1112可以包括不同的催化剂，以具有不同的耐久性。即，第一电极模块1111可以包括具有相对低的性能但是相对高的耐久性的第一催化剂，而第二电极模块1112可以包括具有相对低的耐久性但是相对高的性能的第二催化剂。
第一催化剂可以包括第一载体和分散在第一载体上的第一金属粒子，第二催化剂可以包括第二载体和分散在第二载体上的第二金属粒子，第一载体和第二载体可以彼此不同，并且/或者第一金属粒子和第二金属粒子可以彼此不同，使得第一催化剂和第二催化剂具有不同的耐久性。例如，可以使用结晶碳基载体(例如，石墨化炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维等)或导电无机氧化物载体(例如，包括SnO2、TiO2或它们的混合物的载体)作为第一载体，并且可以使用非结晶碳基载体(例如，非石墨化炭黑)作为第二载体，由此，第一催化剂可以具有比第二催化剂更好的耐久性。因此，第一电极模块1111的耐久性可以高于第二电极模块1112的耐久性。在这种情况下，可以使用相同种类的金属粒子作为第一金属粒子和第二金属粒子，或者第一金属粒子可以具有比第二金属粒子更高的耐久性。
当第一电极1110是阳极时，第一电极模块1111可以包括析氧反应(OER)催化剂(以下称为“OER催化剂”)和第一氢氧化反应(HOR)催化剂(以下称为“第一HOR催化剂”)，并且第二电极模块1112可以包括第二氢氧化反应催化剂(以下称为“第二HOR催化剂”)，由此，第一电极模块1111的耐久性可以高于第二电极模块1112的耐久性。第一HOR催化剂和第二HOR催化剂可以彼此相同或不同。
第一HOR催化剂和第二HOR催化剂各自可以包括铂(Pt)粒子或铂类合金粒子(即，Pt-Co、Pt-Cr、Pt-Fe、Pt-Mn、Pt-Mo、Pt-Ni、Pt-Pd、Pt-Ru、Pt-Sn、Pt-W、Pt-Au-Co、Pt-Au-Fe、Pt-Au-Ni、Pt-Co-Fe、Pt-Co-Ir、Pt-Co-Mn、Pt-Co-Ni、Pt-Co-P、Pt-Co-S、Pt-Cr-Ir、Pt-Fe-Ir、Pt-Fe-P、Pt-Fe-S、Pt-Ni-Ir、Pt-Ru-Ir、Pt-Ru-Mo、Pt-Ru-Ni、Pt-Ru-W、Pt-Ru-Ir-Ni、Pt-Ru-Rh-Ni或Pt-Ru-Sn-W)。
通常，在供应氢气的阳极处发生的反应中，有(i)在向其正常供应氢气的同时通过HOR催化剂进行的氢氧化反应，和(ii)当由于缺乏燃料使得氢气的供应减少或中断时引起的碳氧化反应。碳氧化反应引起HOR催化剂的碳基载体的腐蚀，从而引起HOR催化剂的金属粒子的洗脱和/或聚集。OER催化剂是诱导析氧反应以抑制碳氧化反应的催化剂，其包括载体和分散在其上的金属粒子。可以使用上述碳基载体、导电无机氧化物载体或沸石载体作为OER催化剂的载体，并且OER催化剂的金属粒子可以包括IrO2、RuO2、IrxSn1-xO2(x为大于0且小于1的实数)、PtＩr、IrRu、PtRuIr或它们中的两种或更多种的混合物。
可选地或附加地，第一电极模块1111和第二电极模块1112可以包括不同的离聚物，以具有不同的耐久性。即，第一电极模块1111可以包括具有相对高的耐久性的第一离聚物，而第二电极模块1112可以包括具有相对低的耐久性的第二离聚物。通常，离聚物的耐久性与其侧链的长度密切相关。侧链的长度越短，燃料电池的加速寿命评价中的性能降低率越小。即，可以认为，离聚物的侧链的长度越短，其耐久性越高。
当除了第一电极1110之外，第二电极1120也被模块化为彼此可分离的电极模块1121和1122时，在第三电极模块1121与第四电极模块1122之间也可以存在由颜色/耐久性的差异形成的上述可见边界。
在本公开的另一实施方案中，第一电极模块1111和第二电极模块1112可以彼此接触，并且可见边界可以由于第一电极模块1111与第二电极模块1112之间的结构差异形成。
例如，如图3中所示，第一电极模块1111具有双层结构，包括在电解质膜1130上依次形成的第一子层1111a和第二子层1111b，第二电极模块1112具有单层结构。
当除了第一电极1110之外，第二电极1120也被模块化为彼此可分离的电极模块1121和1122时，第三电极模块1121可以具有双层结构，包括在电解质膜1130上依次形成的第三子层1121a和第四子层1121b，第四电极模块1122可以具有单层结构。
第一子层1111a和第二子层1111b中的一个可以包括第一催化剂，并且第一子层1111a和第二子层1111b中的另一个以及第二电极模块1112可以包括耐久性低于第一催化剂的第二催化剂，使得第一电极模块1111的耐久性可以高于第二电极模块1112的耐久性。
例如，如上所述，可以使用结晶碳基载体(例如，石墨化炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维等)或导电无机氧化物载体(例如，包括SnO2、TiO2或它们的混合物的载体)作为第一催化剂的第一载体，并且可以使用非结晶碳基载体(例如，非石墨化炭黑)作为第二催化剂的第二载体，使得第一催化剂可以具有比第二催化剂更好的耐久性。
或者，当第一电极1110是发生氢氧化反应的阳极时，上述OER催化剂可以用于第一催化剂，并且上述HOR催化剂可以用于第二催化剂，使得第一电极模块1111的耐久性可以高于第二电极模块1112的耐久性。另一方面，当第二电极1120是阳极时，第三子层1121a和第四子层1121b中的一个可以包括OER催化剂，并且第三子层1121a和第四子层1121b中的另一个以及第四电极模块1122可以包括HOR催化剂。
另一方面，当第一电极1110是发生氧还原反应的阴极时，第一电极模块1111可以具有比第二电极模块1112更高的孔隙率，使得由于氧还原反应生成的水可以比从第二电极模块1112更容易地从第一电极模块1111中排出。因此，诱导和/或加速电极劣化的水更容易从中排出的第一电极模块1111具有比第二电极模块1112更高的耐久性。在这种情况下，导致彼此接触的第一电极模块1111与第二电极模块1112之间的可见边界的第一电极模块1111与第二电极模块1112之间的结构差异是孔隙率的差异。当第二电极1120是阴极时，也同样适用于第二电极1120。
可选地或附加地，如图4中所示，第一电极模块1111和第二电极模块1112可以彼此间隔开，并且可见边界可以由于第一电极模块1111与第二电极模块1112之间的间隔I产生。以相同的方式，第三电极模块1121和第四电极模块1122也可以彼此间隔开，并且可见边界可以由于第三电极模块1121与第四电极模块1122之间的间隔I产生。
下文中，将参照图5至图7详细描述包括根据本公开的膜电极组件1100的燃料电池1000。
图5是根据本公开的一个实施方案的燃料电池1000的截面图，图6是根据本公开的另一实施方案的燃料电池1000的截面图，图7示出了根据本公开的一个实施方案的隔膜1210中的流动通道1211。
如图5中所示，根据本公开的燃料电池1000包括：第一隔膜1210、第二隔膜1220以及位于第一隔膜1210与第二隔膜1220之间的膜电极组件1100。
膜电极组件1100的第一电极1110设置在第一隔膜1210与电解质膜1130之间，膜电极组件1100的第二电极1120设置在第二隔膜1220与电解质膜1130之间。
如图7中所示，第一隔膜1210包括：用于将第一气体供应至第一电极1110的第一入口GI；用于第一气体的第一出口GO；和第一入口GI与第一出口GO之间的第一流动通道1211。
在本公开的一个实施方案中，第一电极1110包括彼此可分离的第一电极模块1111和第二电极模块1112，并且第一电极模块1111是对应于第一入口GI和/或第一出口GO的易劣化部分。
类似地，第二隔膜1220也包括：用于将第二气体供应至第二电极1120的第二入口(未示出)；用于第二气体的第二出口(未示出)；和第二入口与第二出口之间的第二流动通道1221。此外，第二电极1120还可以包括彼此可分离的第三电极模块1121和第四电极模块1122，并且第三电极模块1121可以是对应于第二隔膜1220的第二入口(未示出)和/或第二出口(未示出)的易劣化部分。
通过第一电极1110和/或第二电极1120的模块化，可以选择性地仅更换由于燃料电池1000的长时间操作而劣化的电极模块。因此，可以减少用于维护燃料电池1000的时间和费用，并且可以增加其寿命。
如图5中所示，第一电极1110和第二电极1120彼此对齐并且电解质膜1130插入在它们之间，并且电解质膜1130具有在第一电极1110与第二电极1120之间传递氢离子的活性区和围绕该活性区的非活性区。即，第一电极1110设置在电解质膜1130的活性区的第一表面上，第二电极1120设置在电解质膜1130的活性区的第二表面上。
如图5中所示，根据本公开的燃料电池1000可以包括：设置在电解质膜1130的非活性区的第一表面上的第一子垫圈1160；和设置在电解质膜1130的非活性区的第二表面上的第二子垫圈1170。
第一子垫圈1160和第二子垫圈1170(i)防止在燃料电池1000的操作过程中由于电解质膜1130的反复膨胀和收缩而损坏电解质膜1130的边缘部分，(ii)解决由于电解质膜1130非常薄而引起膜电极组件1100的操作不良的问题，以及(iii)防止气体(即，氢气和/或空气)的泄漏。
第一子垫圈1160和第二子垫圈1170各自具有电极窗口，相对应的第一电极1110和第二电极1120的一个通过该电极窗口暴露。即，第一子垫圈1160围绕第一电极1110，第二子垫圈1170围绕第二电极1120。
第一子垫圈1160和第二子垫圈1170各自可以通过在电解质膜1130上层压膜来形成，所述膜在室温至120℃的温度范围内具有良好的耐化学性和耐热性，能够承受100扭矩以上的压力，并且具有相对低的透气性。例如，第一子垫圈1160和第二子垫圈1170各自可以包括聚酰亚胺(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、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)类化合物或它们中的两种或更多种的混合物。
包括电解质膜1130、第一电极1110和第二电极1120以及第一子垫圈1160和第二子垫圈1170的结构也被称为膜电极组件，并且为了改善这种膜电极组件的生产率，可以采用卷对卷连续工艺。例如，卷对卷连续工艺可以包括：(i)第一步骤，在以连续膜形式提供的电解质膜1130的第一表面和第二表面上以预定间隔连续地形成第一电极110和第二电极1120，以得到催化剂涂覆的膜(CCM)；(ii)第二步骤，在连续提供的CCM的相对表面上分别层压具有以预定间隔形成的电极窗口的第一子垫圈膜和第二子垫圈膜；和(iii)切割由此得到的层叠体以形成单独的膜电极组件的步骤。
或者，可以首先进行在以连续膜形式提供的电解质膜1130的第一表面和第二表面上分别层压第一子垫圈膜和第二子垫圈膜的步骤，然后可以在电解质膜1130的通过第一子垫圈膜和第二子垫圈膜的窗口暴露的部分上分别形成第一电极110和第二电极1120。
如图5中所示，根据本公开的一个实施方案的燃料电池1000还可以包括：第一电极1110与第一隔膜1210之间的第一气体扩散层1140；和第二电极1120与第二隔膜1220之间的第二气体扩散层1150。即，本公开的用于制造膜电极组件的方法还可以包括在第一电极1110上形成第一气体扩散层1140的步骤和在第二电极1120上形成第二气体扩散层1150的步骤。
包括电解质膜1130、第一电极1110和第二电极1120、第一子垫圈1160和第二子垫圈1170以及第一气体扩散层1140和第二气体扩散层1150的整个结构也被称为膜电极组件。因此，根据本公开的膜电极组件1100还可以包括第一气体扩散层1140和第二气体扩散层1150。在该膜电极组件1100中，第一电极1110位于第一气体扩散层1140与电解质膜1130之间，第二电极1120位于第二气体扩散层1150与电解质膜1130之间。
第一气体扩散层1140和第二气体扩散层1150具有以下主要功能：(i)提供从第一隔膜1210和第二隔膜1220中的流动通道1211和1221到第一电极1110和第二电极1120的气体扩散路径，使得气体(即氢气和/或空气)容易且均匀地供应至第一电极1110和第二电极1120；(ii)使得作为氧化还原反应的副产物的水能够通过其从第一电极1110和第二电极1120中容易地去除，从而防止堵水(flooding)；(iii)在其中储存一些水，从而防止电解质膜1130的水分含量突然降低；和(iv)为膜电极组件1100提供足够的机械强度。
第一气体扩散层1140和第二气体扩散层1150各自可以是导电多孔构件，如碳纸、碳布、碳毡、碳非织造织物、金属纸、金属布、金属毡、金属非织造织物等。
在本公开的一个实施方案中，如图5中所示，第一气体扩散层1140可以包括粘接至第一电极模块1111的第一气体扩散模块1141和粘接至第二电极模块1112的第二气体扩散模块1142，并且第一气体扩散模块1141和第二气体扩散模块1142可以彼此分离。即，第一气体扩散层1140可以通过在第一电极模块1111上形成第一气体扩散模块1141并在第二电极模块1112上形成第二气体扩散模块1142来形成，以这种方式，第一气体扩散模块1141和第二气体扩散模块1142彼此可分离。第一气体扩散模块1141和第二气体扩散模块1142可以使用相同的方法由相同的材料形成。然而，本公开不限于此。第一气体扩散模块和第二气体扩散模块可以使用不同的方法由不同的材料形成。在本实施方案中，第一电极模块1111和第一气体扩散模块1141可以形成更换单元，由此，可以改善更换第一电极模块1111的便利性。
出于相同的原因，如图5中所示，第二气体扩散层1150也可以包括粘接至第三电极模块1121的第三气体扩散模块1151和粘接至第四电极模块1122的第四气体扩散模块1152，并且第三气体扩散模块1151和第四气体扩散模块1152彼此可分离。
或者，代替将第一气体扩散层1140模块化为第一气体扩散模块1141和第二气体扩散模块1142，可以将第一气体扩散层1140与第一电极模块1111之间的粘合强度以及第一气体扩散层1140与第二电极模块1112之间的粘合强度设置为彼此不同，使得可以改善更换第一电极模块1111的便利性。
例如，如图6中所示，膜电极组件1100还可以包括对应于易劣化部分的第一电极模块1111与第一气体扩散层1140之间的第一粘合剂层1181。即，粘合剂可以仅施加到第一电极模块1111上，然后可以在整个第一电极1110上形成第一气体扩散层1140。通过第一粘合剂层1181，第一气体扩散层1140与第一电极模块1111之间的粘合强度高于第一气体扩散层1140与第二电极模块1112之间的粘合强度。在这种情况下，第一电极模块1111和整个第一气体扩散层1140可以形成更换单元，由此，可以改善更换第一电极模块1111的便利性。
出于相同的原因，如图6中所示，膜电极组件1100还可以包括对应于易劣化部分的第三电极模块1121与第二气体扩散层1150之间的第二粘合剂层1182。即，粘合剂可以仅施加到第三电极模块1121上，然后可以在整个第二电极1120上形成第二气体扩散层1150。
下文中，将参照图8详细描述根据本公开的另一实施方案的膜电极组件及其制造方法。
图8(a)和图8(b)分别是根据本公开的另一实施方案的膜电极组件的平面图和截面图。
如图8中所示，在根据本公开的另一实施方案的膜电极组件中，第一电极包括彼此可分离的第一电极模块1111和第二电极模块1112，电解质膜包括彼此可分离的第一膜模块1131和第二膜模块1132，第二电极包括彼此可分离的第三电极模块1121和第四电极模块1122。
在图8的实施方案中，与图1至图6中所示的实施方案不同，作为第一电极的易劣化部分的第一电极模块1111和作为第二电极的易劣化部分的第三电极模块1121以重叠的方式布置。因此，第一电极模块1111和第三电极模块和1121以及它们之间的第一膜模块1131构成第一组件模块1101，第二电极模块1112和第四电极模块1122以及它们之间的第二膜模块1132构成第二组件模块1102。
当由于燃料电池的长时间操作，作为易劣化部分的第一电极模块1111和/或第三电极模块1121比第二电极模块1112和第四电极模块1122更早劣化时，第一组件模块1101可以与第二组件模块1102分离，然后用新的模块更换。
第一组件模块1101和第二组件模块1102可以单独制造。换言之，第一电极模块1111可以形成在第一膜模块1131的第一表面上，并且第三电极模块1121可以形成在第一膜模块1131的与第一表面相对的第二表面上，由此，可以得到第一组件模块1101。此外，第二电极模块1112可以形成在第二膜模块1132的第一表面上，并且第四电极模块1122可以形成在第二膜模块1132的与第一表面相对的第二表面上，由此，可以得到第一组件模块1101。
用于各个电极模块1111、1112、1121和1122的材料与上述相同。此外，膜模块1131和膜模块1132可以使用上述用于电解质膜1130的材料制造，因此，将省略其详细描述。
可以通过将如上所述单独得到的第一组件模块1101和第二组件模块1102以彼此相邻的方式布置来制造膜电极组件。
第一膜模块1131具有与第一电极模块1111和第三电极模块1121接触的活性区和围绕该活性区的非活性区，第二膜模块1132具有与第二电极模块1112和第四电极模块1122接触的活性区和围绕该活性区的非活性区。
如图8中所示，第一组件模块1101还可以包括设置在第一膜模块1131的非活性区中的第一子垫圈模块1161和第三子垫圈模块1171，以分别围绕第一电极模块1111和第三电极模块1121。类似地，第二组件模块1102还可以包括设置在第二膜模块1132的非活性区中的第二子垫圈模块1162和第四子垫圈模1172，以分别围绕第二电极模块1112和第四电极模块1122。
因此，根据本公开的一个实施方案的制造膜电极组件的方法还可以包括，在将第一组件模块1101和第二组件模块1102以彼此相邻的方式布置之前，(i)在第一膜模块1131的非活性区中形成分别围绕第一电极模块1111和第三电极模块1121的第一子垫圈模块1161和第三子垫圈模块1171，以得到第一组件模块1101的步骤，和(ii)在第二膜模块1132的非活性区中形成分别围绕第二电极模块1112和第四电极模块1122的第二子垫圈模块1162和第四子垫圈模块1172，以得到第二组件模块1102的步骤。
上面结合子垫圈1160和1170提供的说明将替代对子垫圈模块1161、1162、1171和1172的功能和材料的描述。
因此，图8的实施方案与图1至图6中示出的实施方案的不同之处在于，(i)电解质膜包括彼此可分离的第一膜模块1131和第二膜模块1132，(ii)作为易劣化部分的第一电极模块1111和第三电极模块1121以重叠的方式布置，(iii)第一子垫圈包括彼此可分离的第一子垫圈模块1161和第二子垫圈模块1162，(iv)第二子垫圈包括彼此可分离的第三子垫圈模块1171和第四子垫圈模块1172，以及(iv)当更换第一电极模块1111和第三电极模块1121时，也可以更换第一膜模块1131、第一子垫圈模块1161和第三子垫圈模块1171。
图9是根据本公开的另一实施方案的膜电极组件的截面图。
如图9中所示，第一组件模块1101还可以包括覆盖第一电极模块1111的第一气体扩散模块1141和覆盖第三电极模块1121的第三气体扩散模块1151，并且第二组件模块1102还可以包括覆盖第二电极模块1112的第二气体扩散模块1142和覆盖第四电极模块1122的第四气体扩散模块1152。
第一电极模块1111设置在第一膜模块1131与第一气体扩散模块1141之间，第三电极模块1121设置在第一膜模块1131与第三气体扩散模块1151之间，第二电极模块1112设置在第二膜模块1132与第二气体扩散模块1142之间，第四电极模块1122设置在第二膜模块1132与第四气体扩散模块1152之间。
因此，根据本公开的一个实施方案的制造膜电极组件的方法还可以包括：在将第一组件模块1101和第二组件模块1102以彼此相邻的方式布置之前，(i)在第一电极模块1111上形成第一气体扩散模块1141并在第三电极模块1121上形成第三气体扩散模块1151以得到第一组件模块1101的步骤，和(ii)在第二电极模块1112上形成第二气体扩散模块1142并在第四电极模块1122上形成第四气体扩散模块1152以得到第二组件模块1102的步骤。
上面结合气体扩散层1140和1150提供的说明将替代对气体扩散模块1141、1142、1151和1152的功能和材料的描述。
在图9的实施方案中，当由于燃料电池的长时间操作，作为易劣化部分的第一电极模块1111和/或第三电极模块1121比第二电极模块1112和第四电极模块1122更早劣化，并由此将第一组件模块1101与第二组件模块1102分离并用新的模块更换时，第一气体扩散模块1141和第三气体扩散模块1151也可以被更换。
在图8和图9的实施方案中，由于电解质膜包括彼此可分离的第一膜模块1131和第二膜模块1132，因此，与图1至图6的实施方案不同，可能存在通过其间的间隙气体泄漏/流动的风险。下文中，将参照图10和图11详细描述能够克服这种风险的膜电极组件的一个实例。
图10(a)是根据本公开的一个实施方案的弹性垫圈的平面图，图10(b)是应用图10(a)的弹性垫圈的膜电极组件的截面图，图11是图10(b)的膜电极组件的分解截面图。
如图10和图11中所示，包括彼此可分离的第一组件模块1101和第二组件模块1102的膜电极组件还包括第一弹性垫圈1191和第二弹性垫圈1192。
第一弹性垫圈1191具有第一窗口W1和第二窗口W2，第一气体扩散模块1141和第二气体扩散模块1142分别通过第一窗口W1和第二窗口W2暴露，并与第一子垫圈模块1161和第二子垫圈模块1162接触。
类似地，第二弹性垫圈1192具有通过其分别暴露第三气体扩散模块1151和第四气体扩散模块1152的第三窗口W3和第四窗口W4，并与第三子垫圈模块1171和第四子垫圈模块1172接触。
因此，根据本公开的一个实施方案的制造膜电极组件的方法还可以包括：在将第一组件模块1101和第二组件模块1102以彼此相邻的方式布置之后，(i)在第一子垫圈模块1161和第二子垫圈模块1162上形成第一弹性垫圈1191的步骤，和(ii)在第三子垫圈模块1171和第四子垫圈模块1172上形成第二弹性垫圈1192的步骤。
第一弹性垫圈1191和第二弹性垫圈1192各自可以由诸如橡胶(例如EPDM橡胶)的弹性材料形成，由此可以紧密地装配在第一组件模块1101与第二组件模块1102之间，更具体地装配在第一气体扩散模块1141和第二气体扩散模块1142之间以及第三气体扩散模块1151与第四气体扩散模块1152之间，使得可以防止气体通过第一组件模块1101与第二组件模块1102之间的间隙泄漏/流动。
当由于燃料电池的长时间操作，作为易劣化部分的第一电极模块1111和/或第三电极模块1121比第二电极模块1112和第四电极模块1122更早劣化时，第一弹性垫圈1191和第二弹性垫圈1192可以分别与第一组件模块1101和第二组件模块1102分离，然后第一组件模块1101可以与第二组件模块1102分离，以用新模块(第一组件模块)更换，如图11中所示。
同时，当通过隔膜中的流动通道(未示出)引入到第一气体扩散模块1141和第二气体扩散模块1142中的气体的面内流动被第一弹性垫圈1191干扰时，可能会产生湍流，这种可能性不能被忽略。同样，当引入到第三气体扩散模块1151和第四气体扩散模块1152中的气体的面内流动被第二弹性垫圈1192干扰时，也可能会产生湍流。这种湍流导致压力损失，这反过来引起燃料电池的性能劣化。
下文中，将参照图12和图13详细描述能够抑制这种湍流的发生的弹性垫圈的一个实例。
如图12和图13中所示，第一弹性垫圈1191包括第一窗口W1与第二窗口W2之间的第一边界区域1191a。第一边界区域1191a接触第一子垫圈模块1161和第二子垫圈模块1162两者，以防止气体通过第一组件模块1101与第二组件模块1102之间的间隙泄漏。
类似地，第二弹性垫圈1192包括第三窗口W3与第四窗口W4之间的第二边界区域1192a。第二边界区域1192a接触第三子垫圈模块1171和第四子垫圈模块1172两者，以防止气体通过第一组件模块1101与第二组件模块1102之间的间隙泄漏。
在图12中所示的本公开的一个实施方案中，第一边界区域1191a可以具有包括多个第一凹槽G1的结构，使得第一窗口W1和第二窗口W2能够在其与接触第一子垫圈模块1161和第二子垫圈模块1162的表面相对的表面上通过所述多个第一凹槽G1彼此流体连通，即，具有流路结构。因此，第一边界区域1191a的与第一子垫圈模块1161和第二子垫圈模块1162接触的部分可以充当防止气体通过第一组件模块1101与第二组件模块1102之间的间隙泄漏/流动的密封构件，而第一边界区域1191a的形成有第一凹槽G1的剩余部分可以确保引入到第一气体扩散模块1141和第二气体扩散模块1142中的气体的面内流动，从而防止湍流。
类似地，第二边界区域1192a可以具有包括多个第二凹槽G2的流路结构，使得第三窗口W3和第四窗口W4能够在其与接触第三子垫圈模块1171和第四子垫圈模块1172的表面相对的表面上通过所述多个第二凹槽G2彼此流体连通。因此，第二边界区域1192a的与第三子垫圈模块1171和第四子垫圈模块1172接触的部分可以充当防止气体通过第一组件模块1101与第二组件模块1102之间的间隙泄漏/流动的密封构件，而第二边界区域1192a的形成有第二凹槽G2的剩余部分可以确保引入到第三气体扩散模块1151和第四气体扩散模块1152中的气体的面内流动，从而防止湍流。
在图13中所示的本公开的一个实施方案中，第一边界区域1191a可以具有包括接触第一子垫圈模块1161和第二子垫圈模块1162的第一无孔弹性层1191aa和在该第一无孔弹性层1191aa上的第一多孔弹性层1191ab的结构，即双层结构。第一无孔弹性层1191aa可以充当防止气体通过第一组件模块1101与第二组件模块1102之间的间隙泄漏/流动的密封构件，而第一多孔弹性层1191ab可以确保引入到第一气体扩散模块1141和第二气体扩散模块1142中的气体的面内流动，从而防止湍流。
类似地，第二边界区域1192a可以具有双层结构，包括：接触第三子垫圈模块1171和第四子垫圈模块1172的第二无孔弹性层1192aa；和在第二无孔弹性层1192aa上的第二多孔弹性层1192ab。第二无孔弹性层1192aa可以充当防止气体通过第一组件模块1101与第二组件模块1102之间的间隙泄漏/流动的密封构件，而第二多孔弹性层1192ab可以确保引入到第三气体扩散模块1151和第四气体扩散模块1152中的气体的面内流动，从而防止湍流。
充当密封构件的第一无孔弹性层1191aa和第二无孔弹性层1192aa各自可以由诸如橡胶(例如EPDM橡胶)的弹性材料形成。提供流路的第一多孔弹性层1191ab和第二多孔弹性层1192ab各自也可以由诸如橡胶的弹性材料形成，并且包括多个具有能够使气体通过其流动的尺寸的孔(例如，孔径为1μm至1000μm)。

Claims (20)

1.一种膜电极组件，包括：
第一电极；
第二电极；和
所述第一电极与所述第二电极之间的电解质膜，其中，
所述第一电极包括彼此可分离的第一电极模块和第二电极模块。
2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，
所述第一电极模块和所述第二电极模块彼此接触，并且
在所述第一电极模块与所述第二电极模块之间存在可见边界，该可见边界由于选自所述第一电极模块与所述第二电极模块之间的凹槽、所述第一电极模块与所述第二电极模块之间的颜色差异以及所述第一电极模块与所述第二电极模块之间的结构差异中的至少一个形成。
3.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，
所述第一电极模块和所述第二电极模块彼此间隔开，并且
在所述第一电极模块与所述第二电极模块之间存在由于所述第一电极模块和所述第二电极模块之间的间隔形成的可见边界。
4.根据权利要求1所述的膜电极组件，还包括：
第一气体扩散层，其中，
所述第一气体扩散层设置为使得所述第一电极位于所述第一气体扩散层与所述电解质膜之间，
所述第一气体扩散层包括附接至所述第一电极模块的第一气体扩散模块和附接至所述第二电极模块的第二气体扩散模块，并且
所述第一气体扩散模块和所述第二气体扩散模块彼此可分离。
5.根据权利要求1所述的膜电极组件，还包括：
第一气体扩散层，其中，
所述第一气体扩散层设置为使得所述第一电极位于所述第一气体扩散层与所述电解质膜之间，并且
所述膜电极组件还包括在所述第一电极模块和所述第二电极模块中的一个与所述第一气体扩散层之间的粘合剂层。
6.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，
所述电解质膜包括彼此可分离的第一膜模块和第二膜模块，
所述第二电极包括彼此可分离的第三电极模块和第四电极模块，
所述膜电极组件包括彼此可分离的第一组件模块和第二组件模块，
所述第一组件模块包括所述第一电极模块、所述第三电极模块和位于所述第一电极模块与所述第三电极模块之间的所述第一膜模块，
所述第二组件模块包括所述第二电极模块、所述第四电极模块和位于所述第二电极模块与所述第四电极模块之间的所述第二膜模块。
7.根据权利要求6所述的膜电极组件，其中，
所述第一膜模块具有与所述第一电极模块和所述第三电极模块接触的活性区和围绕该活性区的非活性区，
所述第二膜模块具有与所述第二电极模块和所述第四电极模块接触的活性区和围绕该活性区的非活性区，
所述第一组件模块还包括设置在所述第一膜模块的非活性区中的第一子垫圈模块和第三子垫圈模块，所述第一子垫圈模块和所述第三子垫圈模块分别围绕所述第一电极模块和所述第三电极模块，
所述第二组件模块还包括设置在所述第二膜模块的非活性区中的第二子垫圈模块和第四子垫圈模块，所述第二子垫圈模块和所述第四子垫圈模块分别围绕所述第二电极模块和所述第四电极模块。
8.根据权利要求7所述的膜电极组件，其中，
所述第一组件模块包括覆盖所述第一电极模块的第一气体扩散模块和覆盖所述第三电极模块的第三气体扩散模块，所述第一电极模块设置在所述第一膜模块与所述第一气体扩散模块之间，所述第三电极模块设置在所述第一膜模块与所述第三气体扩散模块之间，
所述第二组件模块包括覆盖所述第二电极模块的第二气体扩散模块和覆盖所述第四电极模块的第四气体扩散模块，所述第二电极模块设置在所述第二膜模块与所述第二气体扩散模块之间，所述第四电极模块设置在所述第二膜模块与所述第四气体扩散模块之间。
9.根据权利要求8所述的膜电极组件，还包括：
第一弹性垫圈，其具有被配置为使得所述第一气体扩散模块和所述第二气体扩散模块能够分别通过其暴露的第一窗口和第二窗口，该第一弹性垫圈与所述第一子垫圈模块和所述第二子垫圈模块接触；和
第二弹性垫圈，其具有被配置为使得所述第三气体扩散模块和所述第四气体扩散模块能够分别通过其暴露的第三窗口和第四窗口，该第二弹性垫圈与所述第三子垫圈模块和所述第四子垫圈模块接触。
10.根据权利要求9所述的膜电极组件，其中，
所述第一弹性垫圈包括在所述第一窗口与所述第二窗口之间的第一边界区域，该第一边界区域与所述第一子垫圈模块和所述第二子垫圈模块两者接触，以防止气体通过所述第一组件模块与所述第二组件模块之间的间隙泄漏，
所述第二弹性垫圈包括在所述第三窗口与所述第四窗口之间的第二边界区域，该第二边界区域与所述第三子垫圈模块和所述第四子垫圈模两者接触，以防止气体通过所述第一组件模块与所述第二组件模块之间的间隙泄漏，
所述第一边界区域具有多个第一凹槽，被配置为使得所述第一窗口和所述第二窗口能够在其与接触所述第一子垫圈模块和所述第二子垫圈模块的表面相对的表面上通过所述多个第一凹槽彼此流体连通，
所述第二边界区域具有多个第二凹槽，被配置为使得所述第三窗口和所述第四窗口能够在其与接触所述第三子垫圈模块和所述第四子垫圈模块的表面相对的表面上通过所述多个第二凹槽彼此流体连通。
11.根据权利要求9所述的膜电极组件，其中，
所述第一弹性垫圈包括在所述第一窗口与所述第二窗口之间的第一边界区域，该第一边界区域与所述第一子垫圈模块和所述第二子垫圈模块两者接触，以防止气体通过所述第一组件模块与所述第二组件模块之间的间隙泄漏，
所述第二弹性垫圈包括在所述第三窗口与所述第四窗口之间的第二边界区域，该第二边界区域与所述第三子垫圈模块和所述第四子垫圈模块两者接触，以防止气体通过所述第一组件模块与所述第二组件模块之间的间隙泄漏，
所述第一边界区域包括与所述第一子垫圈模块和所述第二子垫圈模块接触的第一无孔弹性层，和在所述第一无孔弹性层上的第一多孔弹性层，
所述第二边界区域包括与所述第三子垫圈模块和所述第四子垫圈模块接触的第二无孔弹性层，和在所述第二无孔弹性层上的第二多孔弹性层。
12.一种制造膜电极组件的方法，该方法包括：
在电解质膜的第一表面上形成第一电极；和
在所述电解质膜的第二表面上形成第二电极，所述第二表面与所述第一表面相对，其中，
所述第一电极包括彼此可分离的第一电极模块和第二电极模块。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述第一电极上形成第一气体扩散层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，
所述形成第一气体扩散层包括：
在所述第一电极模块上形成第一气体扩散模块；和
在所述第二电极模块上形成第二气体扩散模块，并且
所述第一气体扩散模块和所述第二气体扩散模块以该第一气体扩散模块和该第二气体扩散模块彼此可分离的方式形成。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括在紧临形成所述第一气体扩散层之前将粘合剂施加至所述第一电极模块和所述第二电极模块中的仅一个上。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，
所述电解质膜包括彼此可分离的第一膜模块和第二膜模块，
所述第二电极包括彼此可分离的第三电极模块和第四电极模块，
所述形成第一电极包括：
在所述第一膜模块的第一表面上形成所述第一电极模块；和
在所述第二膜模块的第一表面上形成所述第二电极模块，
所述形成第二电极包括：
在所述第一膜模块的第二表面上形成所述第三电极模块；和
在所述第二膜模块的第二表面上形成所述第四电极模块，并且
所述方法还包括：将包括所述第一电极模块、所述第三电极模块和在所述第一电极模块与所述第三电极模块之间的所述第一膜模块的第一组件模块，以及包括所述第二电极模块、所述第四电极模块和在所述第二电极模块与所述第四电极模块之间的所述第二膜模块的第二组件模块以该第一组件模块和该第二组件模块彼此相邻的方式布置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，
所述第一膜模块具有与所述第一电极模块和所述第三电极模块接触的活性区和围绕该活性区的非活性区，
所述第二膜模块具有与所述第二电极模块和所述第四电极模块接触的活性区和围绕该活性区的非活性区，并且
所述方法还包括，在将所述第一组件模块和所述第二组件模块以彼此相邻的方式布置之前：
在所述第一膜模块的非活性区中形成分别围绕所述第一电极模块和所述第三电极模块的第一子垫圈模块和第三子垫圈模块，以得到所述第一组件模块；和
在所述第二膜模块的非活性区中形成分别围绕所述第二电极模块和所述第四电极模块的第二子垫圈模块和第四子垫圈模块，以得到所述第二组件模块。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括，在将所述第一组件模块和所述第二组件模块以彼此相邻的方式布置之前：
在所述第一电极模块上形成第一气体扩散模块并且在所述第三电极模块上形成第三气体扩散模块，以得到所述第一组件模块；和
在所述第二电极模块上形成第二气体扩散模块并且在所述第四电极模块上形成第四气体扩散模块，以得到所述第二组件模块。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括，在将所述第一组件模块和所述第二组件模块以彼此相邻的方式布置之后：
在所述第一子垫圈模块和所述第二子垫圈模块上形成第一弹性垫圈，该第一弹性垫圈具有被配置为使得所述第一气体扩散模块和所述第二气体扩散模块能够分别通过其暴露的第一窗口和第二窗口；和
在所述第三子垫圈模块和所述第四子垫圈模块上形成第二弹性垫圈，该第二弹性垫圈具有被配置为使得所述第三气体扩散模块和所述第四气体扩散模块能够分别通过其暴露的第三窗口和第四窗口。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，
所述第一弹性垫圈包括在所述第一窗口与所述第二窗口之间的第一边界区域，该第一边界区域与所述第一子垫圈模块和所述第二子垫圈模块两者接触，以防止气体通过所述第一组件模块与所述第二组件模块之间的间隙泄漏，
所述第二弹性垫圈包括在所述第三窗口与所述第四窗口之间的第二边界区域，该第二边界区域与所述第三子垫圈模块和所述第四子垫圈模块两者接触，以防止气体通过所述第一组件模块与所述第二组件模块之间的间隙泄漏，
所述第一边界区域具有：(i)具有多个第一凹槽的流路结构，被配置为使得所述第一窗口和所述第二窗口(W1和W2)能够在其与接触所述第一子垫圈模块和所述第二子垫圈模块的表面相对的表面上通过所述多个第一凹槽彼此流体连通，或(ii)双层结构，包括与所述第一子垫圈模块和所述第二子垫圈模块接触的第一无孔弹性层和在该第一无孔弹性层上的第一多孔弹性层，
所述第二边界区域具有：(i)具有多个第二凹槽的流路结构，被配置为使得所述第三窗口和所述第四窗口能够在其与接触所述第三子垫圈模块和所述第四子垫圈模块的表面相对的表面上通过所述多个第二凹槽彼此流体连通，或(ii)双层结构，包括与所述第三子垫圈模块和所述第四子垫圈模块接触的第二无孔弹性层和在该第一无孔弹性层上的第二多孔弹性层。
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