膜-电极组件及其制造方法技术

公开了一种在聚合物电解质膜和电极之间具有提高的粘合性和界面耐久性的膜

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】膜
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电极组件及其制造方法


[0001]本公开涉及一种膜
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电极组件的制造方法，更具体地，涉及一种具有提高的聚合物电解质膜和电极之间的粘合强度以及改善的其间界面的耐久性的膜
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电极组件，以及一种膜
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电极组件的制造方法，该制造方法能够在聚合物电解质膜上直接涂覆催化剂浆料形成电极中，在没有单独的附加工艺的情况下提高聚合物电解质膜和电极之间的粘合强度以及其间界面的耐久性，由此可以改善膜
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电极组件的耐久性和生产率两者。

技术介绍

[0002]聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)被配置为使用其中堆叠单元电池(每个单元电池包括膜
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电极组件(MEA)和隔膜(也称为双极板))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受到关注。
[0003]膜
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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)和设置在其间的聚合物电解质膜。
[0004]当将例如氢气的燃料供应至阳极时，由于氢的氧化反应，在阳极产生氢离子(H
+
)和电子(e
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)。产生的氢离子通过聚合物电解质膜转移至阴极，产生的电子通过外部电路转移至阴极。供应至阴极的氧与氢离子和电子结合，由于还原生成水。
[0005]由于燃料电池的长期运行，聚合物电解质膜和电极之间的界面的低耐久性导致膜
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电极组件的性能劣化。聚合物电解质膜和电极之间的界面的低耐久性是由于其间的粘合强度不足引起的。
[0006]为了提高聚合物电解质膜和电极之间的粘合强度，已经提出了使用(i)物理方法，如压印、用砂纸擦光、喷砂或摩擦，或者(ii)物理和化学方法，如等离子体处理或电晕放电处理在聚合物电解质膜的表面上形成不规则度以提高其表面粗糙度。
[0007]然而，由于需要为聚合物电解质膜提供表面粗糙度的单独的附加工艺，因此，上述方法在工艺的简便性方面是不优选的并且限制了膜
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电极组件的生产率的提高。此外，使用上述方法制造的膜
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电极组件的聚合物电解质膜与电极之间的粘合强度不够高，因此无法确保其间界面的耐久性令人满意。

技术实现思路

[0008]技术问题
[0009]因此，本公开涉及一种膜
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电极组件及其制造方法，所述膜
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电极组件能够解决由于上述相关技术的限制和缺点引起的问题。
[0010]本公开的一个目的是提供一种膜
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电极组件，该膜
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电极组件具有提高的聚合物电解质膜和电极之间的粘合强度以及改善的其间界面的耐久性。
[0011]本公开的另一目的是提供一种膜
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电极组件的制造方法，该制造方法能够在聚合物电解质膜上直接涂覆催化剂浆料形成电极中，在没有单独的附加工艺的情况下提高聚合物电解质膜和电极之间的粘合强度以及其间界面的耐久性，由此可以改善膜
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电极组件的
耐久性和生产率两者。
[0012]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下面本说明书的描述中清楚地理解。
[0013]技术方案
[0014]根据本公开的一个方面，提供一种膜
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电极组件，包括：聚合物电解质膜；和在所述聚合物电解质膜的第一表面上的第一电极，其中，所述第一电极包含第一催化剂和第一离子导体，在所述第一表面上随机形成多个凹槽，每个所述凹槽具有5μm以下的深度和10μm以下的宽度，每个所述凹槽被所述第一电极的一部分填充，并且所述第一电极的填充凹槽的部分中的第一离子导体的含量高于所述第一电极的剩余部分中的第一离子导体的含量。
[0015]所述第一电极的填充凹槽的部分中的第一离子导体的含量与所述第一电极的剩余部分中的第一离子导体的含量之差可以为所述第一电极的剩余部分中的第一离子导体的含量的2％至12％。
[0016]根据本公开的另一方面，提供一种膜
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电极组件的制造方法，包括：将第一催化剂和第一离子导体分散在第一分散介质中以获得第一催化剂浆料；将所述第一催化剂浆料涂覆在聚合物电解质膜的第一表面上；和干燥涂覆在所述第一表面上的第一催化剂浆料以形成第一电极，其中，所述第一分散介质包含：(i)第一成分，所述第一成分能够部分地溶解其第一表面处的聚合物电解质膜或引起第一表面变形以在第一表面上形成多个凹槽；和(ii)与所述第一成分不同的第二成分，所述第一成分是醇、乙酸、丙酸、二甲基乙酰胺或它们中的两种或更多种的混合物，所述醇为甲醇、乙醇、丙醇、乙氧基乙醇、丁醇或它们中的两种或更多种的混合物，所述第二成分为水、N
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甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)、四氢呋喃(THF)或它们中的两种或更多种的混合物，所述第一催化剂浆料中的第一分散介质的含量为83重量％至98重量％，所述第一分散介质中的第一成分的含量为55重量％至80重量％，并且当通过干燥步骤形成第一电极时，至少一些凹槽被第一催化剂、第一离子导体或它们的混合物填充。
[0017]所述第一催化剂浆料可以涂覆在第一表面上至10μm至200μm的涂层厚度。
[0018]干燥步骤可以在50℃至150℃的温度下进行10至300秒。
[0019]可以将(i)第一催化剂浆料中的第一分散介质的含量、(ii)第一分散介质中的第一成分的含量、(iii)第一催化剂浆料的涂层厚度、(iv)干燥步骤的温度和(v)干燥步骤的时间设置为使得每个凹槽具有5μm以下的深度和10μm以下的宽度。
[0020]分散步骤可以使用选自超声波均质器、球磨机、辊磨机、共振声学混合器、高压均质器、行星混合器和均质混合器中的至少一种来进行。
[0021]所述聚合物电解质膜可以包含氟类离子导体。
[0022]干燥步骤可以通过热风干燥、红外干燥或热板干燥来进行。
[0023]所述方法可以进一步包括：在形成第一电极之后，在聚合物电解质膜的与第一表面相对的第二表面上涂覆第二催化剂浆料，并且干燥涂覆在第二表面上的第二催化剂浆料以形成第二电极。
[0024]将第一催化剂浆料涂覆在第一表面上的步骤可以在将保护膜附着到聚合物电解质膜的第二表面上的同时进行。
[0025]所述方法可以进一步包括：在第二表面上涂覆第二催化剂浆料之前，从第二表面
上去除保护膜。
[0026]所述方法可以进一步包括：在从第二表面上去除保护膜之前，将第一保护片附着到其上形成有第一电极的第一表面上。
[0027]所述方法可以进一步包括：将第二保护片附着到其上形成有第二电极的第二表面上。
[0028]所述方法可以进一步包括：在将第一催化剂浆料涂覆在第一表面上之前将具有第一窗口的第一掩模膜附着到第一表面上；在形成第一电极之后去除第一掩模膜；在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种膜
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电极组件，包括：聚合物电解质膜；和在所述聚合物电解质膜的第一表面上的第一电极，其中所述第一电极包含第一催化剂和第一离子导体，在所述第一表面上任意形成多个凹槽，所述凹槽每个具有5μm以下的深度和10μm以下的宽度，所述凹槽每个被所述第一电极的一部分填充，并且所述第一电极的填充所述凹槽的部分中的第一离子导体的含量高于所述第一电极的剩余部分中的第一离子导体的含量。2.根据权利要求1所述的膜
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电极组件，其中，所述第一电极的填充所述凹槽的部分中的第一离子导体的含量与所述第一电极的剩余部分中的第一离子导体的含量之差是所述第一电极的剩余部分中的第一离子导体的含量的2％至12％。3.一种膜
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电极组件的制造方法，该制造方法包括：将第一催化剂和第一离子导体分散在第一分散介质中以获得第一催化剂浆料；将所述第一催化剂浆料涂覆在聚合物电解质膜的第一表面上；以及干燥涂覆在所述第一表面上的第一催化剂浆料以形成第一电极，其中，所述第一分散介质包含：(i)第一成分，所述第一成分能够部分地溶解所述第一表面处的聚合物电解质膜或者引起所述第一表面变形以在所述第一表面上形成多个凹槽，和(ii)与所述第一成分不同的第二成分，所述第一成分是醇、乙酸、丙酸、二甲基乙酰胺或者它们中的两种或更多种的混合物，所述醇为甲醇、乙醇、丙醇、乙氧基乙醇、丁醇或者它们中的两种或更多种的混合物，所述第二成分为水、N
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甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)、四氢呋喃(THF)或者它们中的两种或更多种的混合物，所述第一催化剂浆料中的第一分散介质的含量为83重量％至98重量％，所述第一分散介质中的第一成分的含量为55重量％至80重量％，并且当通过干燥步骤形成所述第一电极时，所述凹槽的至少一些被所述第一催化剂、所述第一离子导体或者它们的混合物填充。4.根据权利要求3所述的制造方法，其中，将所述第一催化剂浆料涂覆在所述第一表面上至10μm至200μm的涂层厚度。5.根据权利要求3所述的制造方法，其中，所述干燥在50℃至150℃的温度下进行10至300秒。6.根据权利要求3所述的制造方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：金正镐，金埈永，宋佳暎，孔络园，李主圣，南暻植，朴灿美，
申请(专利权)人：可隆工业株式会社，
类型：发明
国别省市：