CN1988227A - 涂覆催化剂的扩散介质 - Google Patents

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Abstract

一种制造燃料电池膜电极组件的方法包括形成且压缩具有沿所需取向设置的多个层的堆。所述多个层包括膜、阴极、阳极和至少一个边缘保护层。所述方法包括设置与所述阳极层或阴极层相邻的至少一个机械增强层，且允许所述电极在高热条件下产生松弛以在进行层压之前消除应力。

Description

涂覆催化剂的扩散介质
技术领域
本发明涉及燃料电池和燃料电池扩散介质，且特别是，涉及制造膜电极组件的方法。
背景技术
电化学电池，如燃料电池，通过反应物与氧化剂之间的电化学反应产生电力。典型的燃料电池具有膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件具有催化电极和夹在电极之间的质子交换膜(PEM)。在优选的质子交换膜型燃料电池中，氢作为还原剂被供应至阳极，且氧作为氧化剂被供应至阴极。质子交换膜燃料电池在阴极处还原氧且产生能量供给以用于多种应用中，所述应用包括车辆应用。
为了易于进行生产，通常利用子组件制造燃料电池。燃料电池将包含作为子组件的涂覆催化剂的膜(CCM)或涂覆催化剂的扩散介质(CCDM)。已经开发了多种制造涂覆催化剂的膜的制造方法。用于制造涂覆催化剂的扩散介质的层压技术通常导致存在相当大的应力，所述应力被可视地表示为层压子组件中出现的“弯曲(bowing)”效应。伴随层压后释放应力的过程，扩散介质通常会产生不希望的开裂和损伤。
已经探究了多种防止产生应力消除问题的方式，且所述方式不希望地改变了燃料电池部件的物理特征，所述物理特征包括尺寸和形状。因此，仍需要一种以大批量制造涂覆催化剂的扩散介质的方法，所述方法避免了与已公知的工艺相关联的问题且改进了燃料电池的性能、效率和寿命。
发明内容
本发明提供了一种制造具有涂覆催化剂的扩散介质的燃料电池膜电极组件的方法。在第一实施例中，所述方法包括形成具有沿所需取向设置的多个层的堆。所述多个层包括膜、阴极、阳极、至少一个边缘保护层和与所述阴极和阳极中的至少一个相邻的至少一个机械增强层。所述堆被置于具有热源的压力机组件内。在预定时间内加热和压制所述堆达到所需温度和所需力，且随后从所述压力机组件中去除所述堆。随后从所述膜电极组件中去除所述机械增强层。在一些实施例中，所述机械增强层包括膨胀聚四氟乙烯。
在另一个实施例中，本发明的方法包括形成堆，所述堆包括膜、阴极、阳极和至少一个边缘保护层。所述方法包括在不施加压力的情况下在有效时间量内将所述堆加热至所需温度以允许所述层松弛。多个实施例包括将所述堆加热至接近，但不超过，所述膜和边缘保护层中的至少一个的玻璃化转变温度的温度。一旦产生松弛，则压缩力被施加到所述堆上，施加约1/2至15吨的压力达约4至8分钟的时间。
本文中使用的“a”和“an”表示存在“至少一个”部件；当有可能时，可能存在多个这种部件。“about(约)”被应用于数值时，表示计算或测量允许数值存在一些微小的不精确度(在某种程度上接近准确值；大约或相当接近该数值；近似为该数值)。如果出于某些原因，本领域中对“about(约)”所提供的不精确度的理解不是该通常意义，则本文中使用的“about(约)”表示至少是测量这种数值的普通方法可能导致出现的数值的可能变化。
从下文提供的详细描述中将易于理解本发明可进一步应用的领域。应该理解，详细描述和特定实例在表明本发明的优选实施例的同时，仅旨在用于示例性目的且不旨在限制本发明的范围。
附图说明
从详细描述和附图中将更充分地理解本发明，在所述附图中：
图1是包括膜电极组件的各个部件的一种典型对准装置(alignment fixture)的分解示意图；和
图2是根据本发明原理的制造膜电极组件的方法的流程图。
具体实施方式
对优选实施例的以下描述在本质上仅是示例性的且绝不旨在限制本发明，限制本发明的应用或使用。
通过使用多个子组件使得燃料电池的制造过程得到简化且更加精确。一个这种子组件是5层层压膜电极组件(MEA)。该5层膜电极组件包括膜、位于膜任一侧上的边缘保护层和设置在与每个边缘保护层的相对侧相邻的位置处的涂覆催化剂的扩散介质(CCDM)。由于扩散介质被预结合到膜上，因此在燃料电池堆的组装过程中使用5层部件是有益的。这使得在电池组装过程中只需对准且安放非耐用品即可，而不用必须小心地对准多个部件的各自方位。
本发明提供了一种制造具有涂覆催化剂的扩散介质的层压膜电极组件的方法。该方法包括形成包括沿所需取向设置的多个层的堆。多个层优选包括膜、阴极、阳极、至少一个边缘保护层和被置于与阴极和阳极中至少一个的外部相邻的位置处的至少一个机械增强层。所述堆被置于具有热源的压力机组件内且在预定时间内被加热和压制至所需温度和压力，且随后从压力机组件中去除所述堆以用于燃料电池中。
为了更好地理解本发明，根据本发明原理的一种典型的对准装置10如图1所示。对准装置10允许精确地对准和压缩膜电极组件的多个部件且至少包括刚性顶部基板12和刚性底部基板14，在所述刚性顶部基板与所述刚性底部基板之间设置了紧固多个层部件的装置。在一个当前优选的实施例中，通过使用对准销16实现装置10的定位，所述对准销被可拆卸地紧固到基板12、14上且穿过所述组件的多个部件。在一些实施例中，销16具有可拆卸的长垫圈(未示出)，如果需要，所述垫圈可用作隔件。
图1示出了在膜电极组件形成过程中所使用的多个子组件的部件层和材料的一种目前优选的布置。质子交换膜(PEM)18位于膜电极组件的中心。质子交换膜选自本领域中使用的典型膜材料。重要的是注意到，特定膜材料以及催化剂层中的组分的选择将影响下面将要更详细地进行讨论的层压条件。膜18优选被置于对准销16上。
与膜18的相对侧相邻的是阴极侧边缘保护层20和阳极侧边缘保护层22。用作边缘保护层的目前优选的材料分别包括聚对苯二甲酸亚乙酯或聚酰亚胺薄膜，如可从DuPont de Nemours and Company，Inc获得的MYLAR和KAPTON，或本领域中已公知的多种聚偏氟乙烯(PVDF)组分。特别重要的是使每个边缘保护层20、22相对于彼此对准，以及使边缘保护层相对于催化剂层边缘对准。边缘保护层20、22优选被置于对准销16上。
与边缘保护层20、22相邻的是相应的位于阴极侧的涂覆催化剂的扩散介质24和位于阳极侧的涂覆催化剂的扩散介质26。通常情况下，5层膜电极组件在阳极侧面朝下的情况下进行组装。在一些实施例中，阳极侧边缘保护层22可具有比阴极侧边缘保护层20更大的活性区窗孔23。在其它实施例中，阴极侧边缘保护层20可具有比阳极侧边缘保护层22更大的活性区窗孔23。在另外的实施例中，阳极和阴极上具有相同尺寸的活性区窗孔23。在其它实施例中，膜电极组件的两侧是对称的，且阴极24与阳极26之间不需要有所区别，但指定膜电极组件的两侧仍是良好的实践惯例。涂覆催化剂的扩散介质层24、26优选被预切成所需尺寸，且不被置于对准销16上。
在一些实施例中，至少一个机械增强层28被置于与阴极24、阳极26或二者相邻的位置处。该增强层28在加压层压步骤中提供了机械支承，且当组件在层压后被冷却时，所述增强层同样提供了机械支承。增强层28优选在X-Y平面(平行于扩散介质)中具有良好的机械强度。在多个实施例中，层28在置于基底上之后可被剥离，例如易于从扩散介质上除去所述层而不损伤所述层。在多个优选实施例中，增强层包括膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)的薄膜，所述薄膜的厚度介于约1密耳至约5密耳(约25至约125μm)之间，优选为约3密耳(75μm)。由于据信最有可能在从高温和高压向环境温度和压力转变的过程中，扩散层最有可能受到附加应力和开裂问题的困扰，因此机械增强层用于提供应力吸收或应力消除。适合的膨胀聚四氟乙烯是商业上可从W.L.Gore and Associates，Inc.，Elkton，Md得到商标名称为GORETEX的膨胀聚四氟乙烯，和可从Tetratec，Featerville，Pa得到商标名称为TETRATEX的膨胀聚四氟乙烯。机械增强层28优选被置于对准销16上。在多个实施例中，机械增强层可循环使用，例如，所述机械增强层被保留且重新用于其它子组件的制造过程中。
在多个实施例中，释放板30可被设置在与电极24、26或机械增强层28相邻的位置处。释放板30优选包括适合的材料，所述材料不会粘附或附着到扩散介质或膜上，且在层压工艺后易于除去所述材料。在多个实施例中，使用聚酰亚胺薄膜，如可从DuPont de Nemoursand Company，Inc得到的以商标名称KAPTON出售的聚酰亚胺薄膜。聚酰亚胺释放板30被安放在对准销16上且可在温度高达400℃的应用中使用。
最后，在释放板30与基板12、14之间可设置一层材料层32，所述材料层有助于分配在层压过程中出现的横向力。可从GarlockSealing Technologies，Palmyra，NY得到商标名称为GYLON的一种目前优选的横向力分配器32。该力分配层32的主要目的在于，在该方法的层压步骤中均匀地分布压缩力。由于该层32在压缩过程中变得更薄且沿平面方向扩大，因此该层由于可能导致出现不希望的皱折而不应被置于对准销上。应该理解，尽管图1示出了与基板12、14相邻的一个力分配层32的应用，但在一些实施例中可能所希望的是根据需要应用或多或少的层32。
现在参见图2，图中示意性地示出了一种根据本发明原理的对5层膜电极组件结构进行层压的方法。应该注意到，适当的层压条件，包括温度、压力和层压时间是基于膜的类型、催化剂层中的组分和催化剂层的总体几何形状进行选择的。为了说明的目的，本文提供的温度和压力基于使用面积为约520cm2的膜电极组件，所述膜电极组件具有可从Asahi-Kasei得到的ACIPLEXSF1101 PFSA膜和催化剂层中的900 EW PFSA离聚物。预想本发明适于与多种不同材料且与面积为约50cm2至800cm2或更大的组件一起使用。
工艺100通过首先如前所述沿所需堆取向组装和对准对准装置10中的所有部件而开始，如框102所示。尽管使用对准装置10不是关键的，但出于速度、准确性和一致性的考虑推荐使用所述对准装置。一旦进行组装，对准装置10或堆被插入优选具有加热的压力机压板的预热压力机组件中，如框104所示。对准装置10或堆允许被加热至所需层压温度，且在施加层压力之前，优选允许部件在高热条件下产生松弛，如框106所示。正如本文中使用地，允许部件产生“松弛”包括允许部件在受到压制之前，优选在机械增强层28的帮助下消除由于施加热量而产生的任何积聚的应力。
在多个实施例中，所述方法包括将堆加热至一定温度且持续一定时间，所速温度和时间足以允许阳极层和阴极层中的至少一个层产生松弛。在优选实施例中，堆被加热至接近，但不超过膜18和边缘保护层20、22中的一个的玻璃化转变温度的温度。尽管时间和温度将随着所选择使用材料的热性质而产生变化，但在多个实施例中，压力机组件被加热至介于约250至约350之间的温度或更高的温度。
一旦部件有机会产生松弛，则适当的层压力被施加到部件堆上，如框108所示。应该理解，压力和时间可随所使用的材料类型和尺寸而产生变化，且等效的应力和时间落入本发明的范围内。例如，面积为约50cm2的膜电极组件将需要约2/3吨的压力，而面积为约800cm2的膜电极组件则可能需要约11吨的压力。在多个实施例中，通过施加适当的压缩力而压缩堆，例如，施加约约1/2至约15吨的压力达约4至约8分钟之间的时间。在一些实施例中，压力介于约5吨至约8吨的范围内。在加压层压步骤完成后，组件被冷却，且从压力机中除去所述组件，如框110所示。在多个实施例中，在施加压缩力后立即从压力机中除去组件，此时组件仍是热的。在多个其它实施例中，组件保留在压力机中，而在保持所施加的压缩力的情况下对板进行主动冷却。在进行拆卸的一个优选实施例中，首先去掉顶板，且除了最下部的释放板30和横向力分配器32之外的部件从底板上滑落下来。在冷却之后，除去上部释放层30和机械增强层28，如框112所示，留下5层膜电极组件以用于燃料电池中。因此，本发明允许形成改进的低应力膜电极组件，所述膜电极组件导致在5层组件内的弯曲效应更小，且使得随后的燃料电池堆组装过程更为便利。
本发明的描述在本质上仅是示例性的，且因此，不偏离本发明主旨的变型旨在落入本发明的范围内。这些变型不被视为偏离本发明的精神和范围。

Claims (22)

1、一种制造燃料电池膜电极组件的方法，所述方法包括：
形成具有沿所需取向设置的多个层的堆，所述多个层包括膜、阴极、阳极、至少一个边缘保护层和与所述阴极和阳极中的至少一个相邻的至少一个机械增强层；
将所述堆置于具有热源的压力机组件内；
在预定时间内加热和压制所述堆达到所需温度和所需力；并且除去所述压制的膜电极组件。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述机械增强层包括膨胀聚四氟乙烯。
3、根据权利要求1所述的方法，其中所述机械增强层是可剥离的。
4、根据权利要求1所述的方法，其中加热所述堆包括将所述压力机组件加热至介于约250至约350之间的温度。
5、根据权利要求1所述的方法，其中压制所述堆包括施加在约1/2吨至约15吨压力范围内的压缩力达约4至约8分钟的时间。
6、根据权利要求1所述的方法，其中形成所述堆包括使对准装置中的层对准且将包含所述堆的所述对准装置置于所述压力机组件内。
7、根据权利要求6所述的方法，其中所述对准装置包括上部压板和下部压板，进一步地，形成所述堆包括将横向力分配层置于所述上部压板和所述下部压板中的至少一块压板与所述堆之间。
8、根据权利要求7所述的方法，进一步包括将释放材料置于所述横向力分配层与所述至少一块压板之间。
9、根据权利要求6所述的方法，其中所述对准装置包括上部压板和下部压板，进一步地，形成所述堆包括将释放材料置于所述上部压板和所述下部压板中的至少一块压板与所述堆之间。
10、根据权利要求9所述的方法，其中所述释放材料包括聚酰亚胺薄膜。
11、根据权利要求1所述的方法，进一步包括在一定温度下加热所述堆一定时间，所述时间足以允许在压制所述堆之前，所述阳极层和所述阴极层中的至少一个层产生松弛。
12、根据权利要求11所述的方法，包括将所述堆加热至接近但不超过所述膜和所述边缘保护层中的一个的玻璃化转变温度的温度。
13、根据权利要求1所述的方法，其中除去所述压制的膜电极组件进一步包括除去所述机械增强层。
14、一种包括采用根据权利要求1所述的方法制备的膜电极组件的燃料电池。
15、一种制造燃料电池膜电极组件的方法，所述方法包括：
形成具有沿所需取向设置的多个层的堆，所述多个层包括膜、阴极、阳极和至少一个边缘保护层；
将所述堆置于具有热源的压力机组件内；
在不加压力的情况下在有效时间量内将所述堆加热至所需温度以允许所述层产生松弛；
在预定时间内将所述加热堆压制至所需压力；并且
除去所述压制的膜电极组件。
16、根据权利要求15所述的方法，其中所述堆进一步包括与所述阴极或阳极相邻的至少一个机械增强层。
17、根据权利要求16所述的方法，其中所述机械增强层包括膨胀聚四氟乙烯。
18、根据权利要求15所述的方法，其中加热所述堆包括将所述压力机组件加热至介于约250至约350之间的温度。
19、根据权利要求15所述的方法，其中压制所述堆包括施加在约1/2吨至约15吨压力范围内的压缩力达约4至约8分钟的时间。
20、根据权利要求15所述的方法，进一步包括在除去所述压制的膜电极组件之前，主动冷却所述压力机组件并同时保持所需压力。
21、根据权利要求15所述的方法，其中所述压力机组件包括上部压板和下部压板，进一步地，形成所述堆包括将横向力分配层置于所述上部压板和所述下部压板中的至少一块压板与所述堆之间。
22、根据权利要求21所述的方法，进一步包括将释放材料置于所述横向力分配层与所述压板之间。
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