膜电极组件、其制造方法及包括其的燃料电池技术

公开了一种膜电极组件、其制造方法和包括其的燃料电池。本发明专利技术的膜电极组件的制造方法包括以下步骤：在电解质膜的第一表面上形成第一电极；通过涂覆第一液体材料在电解质膜的第一表面上形成第一子垫圈；在电解质膜的第二表面上形成第二电极；以及在电解质膜的第二表面上形成第二子垫圈。上形成第二子垫圈。上形成第二子垫圈。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】膜电极组件、其制造方法及包括其的燃料电池


[0001]本专利技术涉及一种膜电极组件、其制造方法及包括其的燃料电池。

技术介绍

[0002]聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)是一种利用堆叠有单元电池(其中每个单元电池包括膜电极组件(MEA)和隔板)的结构来发电的装置，由于聚合物电解质膜燃料电池具有高能量效率和环境友好特性，所以聚合物电解质膜燃料电池作为能够替代化石燃料的下一代能源受到关注。
[0003]膜电极组件包括氧化电极(也称为阳极或燃料电极)、还原电极(也称为阴极或空气电极)以及它们之间的电解质膜。通常使用聚合物电解质膜作为电解质膜。
[0004]图1是示出燃料电池的工作的示意图。
[0005]当诸如氢气的燃料被供应到氧化电极21时，作为氢的氧化反应的结果，在氧化电极21处产生氢离子(H
+
)和电子(e
‑
)。产生的氢离子经由电解质膜10转移到还原电极22，产生的电子经由外部电路转移到还原电极。在还原电极22(包含氧气的空气被供应到该还原电极)处发生氧的还原反应。在还原电极22处，氧与氢离子和电子结合，由此水与热量一起产生。
[0006]如果引入到氧化电极21的氢气和引入到还原电极22的空气(氧气)由于渗透而移动到相对的电极，则电池的性能劣化。因此，需要防止氢气和空气(氧气)渗透到电解质膜10并混合。抑制氢气和空气(氧气)由于渗透通过电解质膜10而相互混合的能力与电解质膜10的性能直接相关。常规地，垫圈接合到电解质膜10的边缘(其对应于除电极之外的膜电极组件的边缘)以抑制氢气和空气(氧气)由于渗透通过电解质膜10而移动到相对的电极。
[0007]在电解质膜10处设置垫圈的方法中，通常使用通过加热和加压将膜型子垫圈层叠在电解质膜10上的方法。然而，在这种方法的情况下，(i)当子垫圈通过加热和加压而被层叠时，电极21和22被损坏，(ii)必须单独地准备具有各种膜厚度的子垫圈，以便调整子垫圈的厚度，这是非常麻烦的，因为子垫圈的最终厚度取决于膜厚度，(iii)当膜型子垫圈的一部分附接在电极的边缘时，在子垫圈处形成与电极厚度相对应的台阶，子垫圈的台阶在后续工艺(例如，形成/组装气体扩散层GDL的工艺)中使可加工性劣化，(iv)台阶导致在子垫圈膜与电极的侧面之间产生气隙，从而显著降低子垫圈膜的防漏气功能。

技术实现思路

[0008]技术问题
[0009]本专利技术的实施例提供一种能够解决上述问题的膜电极组件、其制造方法及包括其的燃料电池。
[0010]本专利技术的一个方面提供一种膜电极组件，该膜电极组件包括不具有或具有非常小的台阶的子垫圈，台阶在后续工艺中使可加工性劣化。
[0011]本专利技术的另一方面提供一种以高生产率制造具有优异性能的膜电极组件的同时
不会对电极造成损坏的制造方法。
[0012]本专利技术的又一方面提供一种使用膜电极组件制造的燃料电池，该膜电极组件包括不具有或具有非常小的台阶的子垫圈，台阶在后续工艺中会使可加工性劣化。
[0013]技术方案
[0014]根据本专利技术的一个方面，提供一种膜电极组件，包括：电解质膜，所述电解质膜具有第一表面以及与第一表面相对的第二表面，所述电解质膜包括活性区域和围绕活性区域的非活性区域；第一电极，所述第一电极设置在电解质膜的第一表面上，所述第一电极覆盖活性区域；第一子垫圈，所述第一子垫圈设置在电解质膜的第一表面的上方，所述第一子垫圈具有使第一电极的中央部分暴露的第一窗；第二电极，所述第二电极设置在电解质膜的第二表面的上方，所述第二电极覆盖活性区域；以及第二子垫圈，所述第二子垫圈设置在电解质膜的第二表面的上方，所述第二子垫圈具有使第二电极的中央部分暴露的第二窗，其中，第一子垫圈包括与第一电极的边缘重叠的第一重叠区域以及覆盖非活性区域的第一非重叠区域，在第一重叠区域与第一非重叠区域之间不存在台阶或存在第一台阶，由第一重叠区域和第一非重叠区域形成的第一台阶的高度是第一电极的厚度的0.5倍以下，第二子垫圈包括与第二电极的边缘重叠的第二重叠区域以及覆盖非活性区域的第二非重叠区域，在第二重叠区域与第二非重叠区域之间不存在台阶或存在第二台阶，由第二重叠区域和第二非重叠区域形成的第二台阶的高度是第二电极的厚度的0.5倍以下。
[0015]在第一子垫圈与第一电极之间可以不存在气隙，或者即使在第一子垫圈与第一电极之间存在第一气隙，第一气隙的体积也可以满足下面的等式1，并且在第二子垫圈与第二电极之间可以不存在气隙，或者即使在第二子垫圈与第二电极之间存在第二气隙，第二气隙的体积也可以满足下面的等式2：
[0016]*等式1：V1≤0.5
×
T
12
×
(W1+L1)
[0017]*等式2：V2≤0.5
×
T
22
×
(W2+L2)
[0018]其中，V1和V2分别是第一气隙和第二气隙的体积，T1和T2分别是第一电极和第二电极的厚度，W1和W2分别是第一电极和第二电极的宽度，L1和L2分别是第一电极和第二电极的长度。
[0019]根据本专利技术的另一方面，提供一种膜电极组件的制造方法，该方法包括：在电解质膜的第一表面的上方形成第一电极；通过涂覆第一液体材料在电解质膜的第一表面的上方形成第一子垫圈；在电解质膜的第二表面的上方形成第二电极；以及通过涂覆第二液体材料在电解质膜的第二表面的上方形成第二子垫圈。
[0020]该方法可以进一步包括下述步骤中的至少一个：在形成第一子垫圈之前在第一电极的上方设置第一钝化层；以及在形成第二子垫圈之前在第二电极的上方设置第二钝化层。
[0021]该方法可以进一步包括去除第一钝化层和第二钝化层中的至少一个。
[0022]第一电极可以通过涂覆或转印形成。
[0023]当形成第一电极时，电解质膜可以由支撑基板支撑。
[0024]第一子垫圈和第二子垫圈可以分别通过选自由喷涂、逗号涂布以及狭缝挤压涂布组成的组中的任一种形成，其中的每一种都使用液体材料。
[0025]可以使用选自由3D打印机和局部涂布设备组成的组中的至少一个来形成第一子
垫圈和第二子垫圈。
[0026]第一液体材料和第二液体材料中的每一个可以包括可交联或可固化的弹性材料。
[0027]第一液体材料和第二液体材料可以彼此相同。此外，第一液体材料和第二液体材料可以彼此不同。
[0028]第一子垫圈和第二子垫圈中的每一个可以包含选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺、四氟乙烯/六氟丙烯(FEP)、氟橡胶、硅橡胶、烃基弹性体(EPDM、EPR等)和聚氨酯组成的组中的至少一个。
[0029]在形成第一子垫圈的步骤和形成第二子垫圈的步骤中的至少一个步骤中，可以在涂覆之后将第一子垫圈或第二子垫圈放置10至600秒。
[0030]在形成第一子垫圈的步骤和形成第二子垫圈的步骤中的至少一个步骤中，可以在涂覆之后在40℃本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种膜电极组件，包括：电解质膜，所述电解质膜具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述电解质膜包括活性区域和围绕所述活性区域的非活性区域；第一电极，所述第一电极设置在所述电解质膜的所述第一表面上方，所述第一电极覆盖所述活性区域；第一子垫圈，所述第一子垫圈设置在所述电解质膜的所述第一表面上方，所述第一子垫圈具有使所述第一电极的中央部分暴露的第一窗；第二电极，所述第二电极设置在所述电解质膜的所述第二表面上方，所述第二电极覆盖所述活性区域；以及第二子垫圈，所述第二子垫圈设置在所述电解质膜的所述第二表面上方，所述第二子垫圈具有使所述第二电极的中央部分暴露的第二窗，其中，所述第一子垫圈包括与所述第一电极的边缘重叠的第一重叠区域以及覆盖所述非活性区域的第一非重叠区域，在所述第一重叠区域与所述第一非重叠区域之间不存在台阶或存在第一台阶，由所述第一重叠区域和所述第一非重叠区域形成的所述第一台阶的高度是所述第一电极的厚度的0.5倍以下，所述第二子垫圈包括与所述第二电极的边缘重叠的第二重叠区域以及覆盖所述非活性区域的第二非重叠区域，并且在所述第二重叠区域与所述第二非重叠区域之间不存在台阶或存在第二台阶，由所述第二重叠区域和所述第二非重叠区域形成的所述第二台阶的高度是所述第二电极的厚度的0.5倍以下。2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，在所述第一子垫圈与所述第一电极之间不存在气隙，或者即使在所述第一子垫圈与所述第一电极之间存在第一气隙，所述第一气隙的体积也满足下面的等式1，并且在所述第二子垫圈与所述第二电极之间不存在气隙，或者即使在所述第二子垫圈与所述第二电极之间存在第二气隙，所述第二气隙的体积也满足下面的等式2：*等式1：V1≤0.5
×
T
12
×
(W1+L1)*等式2：V2≤0.5
×
T
22
×
(W2+L2)其中，V1和V2分别是所述第一气隙和所述第二气隙的体积，T1和T2分别是所述第一电极和所述第二电极的厚度，W1和W2分别是所述第一电极和所述第二电极的宽度，并且L1和L2分别是所述第一电极和所述第二电极的长度。3.一种膜电极组件的制造方法，所述方法包括：在电解质膜的第一表面上方形成第一电极；通过涂覆第一液体材料在所述电解质膜的所述第一表面上方形成第一子垫圈；在所述电解质膜的第二表面上方形成第二电极；以及通过涂布第二液体材料在所述电解质膜的所述第二表面上方形成第二子垫圈。4.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：金正镐，
申请(专利权)人：可隆工业株式会社，
类型：发明
国别省市：