制造用于燃料电池的平面膜电极组件的方法及使用其制造的用于燃料电池的平面膜电极组件技术

公开了一种制造用于燃料电池的平面膜电极组件的方法及使用其制造的用于燃料电池的平面膜电极组件。用于燃料电池的平面膜电极组件可以包括形成于电极的两个侧表面上和电极与电解质膜之间的离聚物膜，从而提高电极和电解质膜之间的界面粘合力并改进电池的耐久性。另外，膜电极组件可以包括平面或光滑的表面，使得可以防止电极和密封垫之间形成空隙或表面台阶，从而改善进气密性并防止由压力集中引起的劣化。

Method for manufacturing flat film electrode assembly for fuel cell and planar film electrode assembly for fuel cell manufactured by using the same

【技术实现步骤摘要】
制造用于燃料电池的平面膜电极组件的方法及使用其制造的用于燃料电池的平面膜电极组件
本专利技术涉及一种制造用于燃料电池的膜电极组件或平面膜电极组件的方法，以及使用该方法制成的用于燃料电池的膜电极组件。膜电极组件可以包括形成于电极的两侧表面上以及电极和电解质膜之间的离聚物膜，从而提高电极和电解质膜之间的界面粘合力，改进气密性，并防止由压力集中引起的劣化。
技术介绍
燃料电池已经用于，例如，通过电池堆内的电化学反应将燃料氧化产生的化学能直接转换成电能，而不通过燃烧将化学能转化为热。膜电极组件(MEA)可以用于燃料电池。在现有技术中，典型的膜电极组件包括用于输送氢阳离子的聚合物电解质膜，和涂覆于电解质膜的两个表面上而使氢气和氧气可以相互反应的阴极(空气电极)层和阳极(燃料电极)层。图1显示了制造常规膜电极组件的常规方法。例如，每个电极12，包括阳极和阴极，涂覆于相应的剥离纸11上。各自涂覆于相应的剥离纸11上的阳极和阴极放置于电解质膜13的两个表面上，而随后通过压膜机进行热粘合。随后，除去粘附于阳极和阴极各自上的剥离纸11，而由此形成膜电极组件，其中阳极和阴极粘合至电解质膜13的两个表面上。此外，为了保护和处理膜电极组件，将密封垫(sub-gasket)14热粘合至膜电极组件的两个表面的中每个上。此时，密封垫14还必须粘合至一部分的电极12，从而不暴露出电解质膜13或电极12与电解质膜13之间的边界。然而，如图1中所示，当密封垫14粘合至膜电极组件时，通常会形成空隙15，电极12和电解质膜13之间的边界会通过空隙15而暴露。另外，密封垫14粘合的电极12的边缘部分会被密封垫14局部挤压。当在空隙15形成的状态下发生这种压力局部集中时，就会发生劣化，并且膜电极组件的耐久性会大大降低。另外，空隙15可能引起气密性变差或膜电极组件形状变形的问题。另外，粘合于膜电极组件的电极12的一部分上的密封垫14为膜电极组件的约两倍厚，导致形成局部高阶梯状部分。由于在使用时堆叠了数百个膜电极组件，则局部高阶梯状部分也会彼此堆叠，这可能导致系统发生故障或可能加速物理劣化。另外，常规的膜电极组件以使得固体电极通过热压粘合方法粘合至固体电解质膜的方式制造。然而，电极和电解质膜之间的粘合面积较小，而因此它们之间的界面粘合力会降低，导致电池的耐久性劣化。在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅用于增强对本专利技术背景的理解，而因此它可能包含不构成该国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
在优选的方面中，尤其提供了制造用于燃料电池的膜电极组件(或“平面膜电极组件”)的方法。膜电极组件可以包括形成于电极的两个侧表面(例如，第一和第二侧面)上以及电极和电解质膜之间的离聚物膜。因此，可以防止空隙形成，可以消除电极和密封垫之间的表面台阶，并且可以改进气密性。另外，可以防止由压力集中引起的劣化。本文中使用的“平面的”，“平面形状的”或“平面形状结构”是指具有基本上的光滑度，平坦度和连续性的表面特征，而没有诸如突起、塌陷、裂缝、凹痕或不连续纹理的子结构缺陷。因此，可以提供用于燃料电池的膜电极组件，其中可以增加电极和电解质膜之间的界面粘合力。在一个方面中，提供了一种制造用于燃料电池的膜电极组件的方法。膜电极组件可以具有平坦的表面。该方法可以包括在基板上形成多个电极从而以预定的间隔彼此分隔开；制备一个或多个电极复合件，每个电极复合件包括形成于基板和多个电极上的离聚物膜从而填充电极之间的空间并覆盖电极；将一个或多个电极复合件堆叠并粘合于电解质膜的第一表面和第二表面上而使电解质膜和每个电极复合件的离聚物膜彼此接触；通过除去基板而制备膜电极组件；和将密封垫粘合到膜电极组件的第一和第二表面上从而覆盖电极的边缘和离聚物膜。“离聚物膜”优选包括作为主要组分的离聚物。正如本文所用的术语“离聚物”是指包括作为侧基附连(例如，共价键合)至聚合物主链上的离子化基团的聚合物材料或树脂。优选这种离子化基团可以经过官能化而具有离子特性，例如，阳离子或阴离子的特性。在某些方中面，离聚物可以合适地包括涉及膜电极组件或燃料电池的电解质中的电子和/或质子转移的离子基团。优选一个或多个电极复合件可以包括第一电极复合件和第二电极复合件。在堆叠和粘合中，电解质膜的第一表面可以粘合至第一电极复合件上，从而第一电极复合件的离聚物膜和电解质膜的第一表面彼此接触，并且电解质膜的第二表面可以粘合至第二电极从而第二电极复合件的离聚物膜和电解质膜的第二表面彼此接触。电解质膜的第一表面和电解质膜的第二表面可以是相对的表面。例如，制造用于燃料电池的膜电极组件的方法可以包括在基板上形成多个电极从而以预定间隔彼此分隔开；制备第一电极复合件和第二电极复合件，其每个可以包括在基板和多个电极上的离聚物膜，从而填充电极之间的空间并覆盖电极；将电解质膜的第一表面粘合到第一电极复合件上而使第一电极复合件的离聚物膜和电解质膜的第一表面彼此接触；将第二电极复合件堆叠并粘合到电解质膜的第二表面上而使第二电极复合件的离聚物膜和电解质膜的第二表面接触彼此；通过移除基板制成膜电极组件；和将密封垫粘合至膜电极组件的第一和第二表面从而覆盖电极的边缘和离聚物膜。基板可以合适地包括选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺组成的组中的一种或多种。在堆叠和粘合中，一个或多个电极复合件可以通过使用加热至约80至120℃的温度的辊压机进行热压粘合而粘合到电解质膜上。同样地，在堆叠和粘合中，第二电极复合件可以通过使用加热至约80至120℃的温度的辊压机进行热压粘合而粘合到电解质膜上。膜电极组件的电极可以包括阳极和阴极。优选阳极和阴极可以设置于不同电极复合件上而使电解质膜可以插入于阳极和阴极之间。阳极可以具有约1至5μm的厚度，而阴极可以具有约5至15μm的厚度。离聚物膜可以通过将离聚物溶液施加于基板上而形成。优选离聚物溶液可以具有约10wt％至50wt％的固体含量和在约25℃的温度下约10至50cP的粘度。离聚物溶液可以合适地包括全氟化磺酸聚合物和有机溶剂。离聚物膜可以通过将离聚物溶液施加于基板上，在约80℃的温度下干燥离聚物溶液约5至30分钟，并在约160℃的温度下对离聚物溶液进行热处理5至30分钟而形成。优选地，形成于电极上的离聚物膜可以合适地具有大于多个电极中的的每个的厚度的厚度。优选地，形成于阳极处的离聚物膜可以合适地具有约2至8μm的厚度，并且形成于阴极处的离聚物膜可以合适地具有约6至18μm的厚度。优选地，电解质膜可以包括增强层。另外，电解质膜可以合适地包括增强层和浸渍于增强层中的离聚物。或者，电解质膜可以是增强层。优选地，增强层可以合适地包括膨胀聚四氟乙烯(e-PTFE)。术语“膨胀聚四氟乙烯”或“e-PTFE”是指可以含有微孔纤维结构而使其可以在某一或任意方向上具有增强强度的聚四氟乙烯聚合物产品。典型的e-PTFE可以是可拉伸的或柔性的，并可以允许可以浸渍本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造用于燃料电池的膜电极组件的方法，包括：/n在基板上形成多个电极，从而以预定的间隔彼此分隔；/n制备一个或多个电极复合件，每个所述电极复合件包括形成于所述基板和所述多个电极上的离聚物膜，从而填充所述电极之间的空间并覆盖所述电极；/n将所述一个或多个电极复合件堆叠并粘合至电解质膜的第一表面和第二表面上，从而所述电解质膜和每个所述电极复合件的所述离聚物膜彼此接触；/n通过去除所述基板而制备膜电极组件；和/n将密封垫粘合到所述膜电极组件的第一表面和第二表面上，从而覆盖所述电极和所述离聚物膜的边缘。/n

【技术特征摘要】
20180730 KR 10-2018-00883501.一种制造用于燃料电池的膜电极组件的方法，包括：
在基板上形成多个电极，从而以预定的间隔彼此分隔；
制备一个或多个电极复合件，每个所述电极复合件包括形成于所述基板和所述多个电极上的离聚物膜，从而填充所述电极之间的空间并覆盖所述电极；
将所述一个或多个电极复合件堆叠并粘合至电解质膜的第一表面和第二表面上，从而所述电解质膜和每个所述电极复合件的所述离聚物膜彼此接触；
通过去除所述基板而制备膜电极组件；和
将密封垫粘合到所述膜电极组件的第一表面和第二表面上，从而覆盖所述电极和所述离聚物膜的边缘。


2.一种制造用于燃料电池的膜电极组件的方法，包括：
在基板上形成多个电极，从而以预定的间隔彼此分隔；
制备第一电极复合件和第二电极复合件，各自包括形成于所述基板和所述多个电极上的离聚物膜，从而填充所述电极之间的空间并覆盖所述电极；
将电解质膜的第一表面粘合至所述第一电极复合件，从而所述第一电极复合件的所述离聚物膜和所述电解质膜的所述第一表面彼此接触；
将所述第二电极复合件堆叠并粘合至所述电解质膜的第二表面，从而所述第二电极复合件的所述离聚物膜和所述电解质膜的第二表面彼此接触；
通过去除所述基板而制备膜电极组件；和
将密封垫粘合至所述膜电极组件的第一表面和第二表面中的每个，从而覆盖所述电极和所述离聚物膜的边缘。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述基板包含选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺组成的组的一种或多种。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个电极复合件通过使用加热至80至120℃温度的辊压机进行热压粘合而粘合至所述电解质膜。


5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二电极复合件通过使用加热至80至120℃的温度的辊压机进行热压粘合而粘合到所述电解质膜的所述第二表面上。


6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述膜电极组件的所述多个电极包括阳极和阴极，所述阳极和所述阴极设置于不同的电极复合件上，使得所述电解质膜介于所述阳极和所述阴极之间，并且
其中所述阳极具有1至5μm的厚度，并且所述阴极具有5至15μm的厚度。


7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述离聚物膜通过将离聚物溶液施加至所述基板而形成，并且
其中所述离聚物溶液具有10wt％至50wt％的固体含量...

【专利技术属性】
技术研发人员：金珉镇，李宇进，金容民，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社，起亚自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR