專利名稱：具有附著邊界的完全催化的膜組合件的制作方法
具有附著邊界的完全催化的膜組合件發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池，更具體地，涉及用于PEM燃料電 池的具有附著邊界的完全催化的膜組合件。發(fā)明背景聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)的重要部件是離子交換膜。離子交換膜通 常位于陽極和陰極之間。電極含有促進燃料(對氫燃料電池而言是陽極)與氧化劑 (對氫燃料電池而言是氧氣)反應(yīng)的催化劑，并包含各種貴金屬或者其他眾所周知的 催化劑。"涂覆催化劑的膜(CCM)"表示至少一個膜與和至少一個與該膜相鄰的含 催化劑的電極的組合。完全催化的膜組合件(FCMA)是特定的CCM，其中至少一個電 極基本上覆蓋了與之相鄰的膜的整個表面(即，該電極與該膜共同延伸)。典型的涂 覆催化劑的膜在其一個表面上結(jié)合有陽極，在另一個表面上結(jié)合有陰極，但是這種 結(jié)合并不是必需的。在PEMFC中，在燃料電池工作過程中，該膜促進離子從一個電極傳遞到另一 個電極。理想地，該膜應(yīng)盡可能地薄，使離子盡可能快地在兩個電極之間通過。但 是，當(dāng)膜變得更薄時，其強度通常會下降。因此，需要對膜進行強化。 一種方案是 在膜內(nèi)結(jié)合增強體。在美國專利RE37307(Bahar等)中披露了這種方案的一個例子， 揭示將多孔材料如發(fā)泡聚四氟乙烯(PTFE)用作膜的支承體。然而，在某些情況，.需要進一步的膜增強體，以及由這種膜形成的CCM。當(dāng)膜 用于包括氣體擴散層的組合件時，所述氣體擴散層通常是由碳纖維紙制成，已知碳 纖維有時會刺破該膜，因而造成該組合件短路，降低或破壞其性能。組合件在其本 身的制造過程中可能發(fā)生刺破，或者在密封模塑過程中由于模具夾緊的壓力而刺 破。在使用期間隨時間推移也會發(fā)生刺破，或者在加工或堆疊組合件時的處理也會 發(fā)生刺破。因此，要求保護膜免于被氣體擴散介質(zhì)的纖維刺破。此外，經(jīng)常需要用于膜和CCM的附加支承體，以提高總體的尺寸穩(wěn)定性。環(huán) 境條件如濕度，或?qū)δさ暮唵渭庸鹉さ膿p壞。需要另外的增強體和支承體來 提髙尺寸穩(wěn)定性。提供這種附加支承體的典型方式涉及將彈性材料直接吸入電極的外部區(qū)域， 使得電極面和邊緣被彈性體密封。如在此所用，膜的"面"是垂直于燃料電池操作 期間通過該膜的主要離子流動方向的表面。電極"面"是電極與膜-電極界面相背 的表面，該界面垂直于燃料電池操作期間通過該膜的主要離子流動方向的表面。電 極"邊緣"是平行于通過該膜的主要離子流動的方向并垂直于電極面的表面。電極 "外部區(qū)域"是與電極邊緣相鄰的電極體積，并包括與從電極面至電極/膜界面的 邊緣相鄰的體積，或者其任意部分。將彈性材料直接吸入電極外部區(qū)域的缺點是在 形成彈性體期間，電極和/或膜容易受到損害。因此，這種設(shè)計相關(guān)的材料和處理 成本較高。要求較好的組合件具有能提高尺寸穩(wěn)定性并能防止刺破的結(jié)構(gòu)支承體， 并且比現(xiàn)有設(shè)計能更有效進行生產(chǎn)。本文中，"組合件"指至少一個膜和結(jié)構(gòu)支承體的組合，但是，"組合件" 也可以包括其它部件，如電極、氣體擴散介質(zhì)、密封墊圈等。發(fā)明概述本發(fā)明的實施方式是涂覆催化劑的膜組合件，該組合件包括固體聚合物電 解質(zhì)膜，基本上覆蓋所述固體聚合物電解質(zhì)膜的至少一個完整表面的電極，附著于 所述電極的至少兩個相反外部區(qū)域的結(jié)構(gòu)膜層，使得該膜層部分重疊在所述電極的 敞開面。在其他實施方式中，這種CCM組合件可具有用粘合劑附著于電極的結(jié)構(gòu)膜 層，或者可具有至少吸入所述電極的外部區(qū)域的至少一部分的結(jié)構(gòu)膜層。將這種組合件用于燃料電池也是本發(fā)明的一個實施方式。本發(fā)明的其他實施方式包括涂覆催化劑的膜，其包括固體聚合物電解質(zhì)膜，基本上覆蓋所述固體聚合物電解質(zhì)膜的至少一個完整表面的電極，附著于所述電極 的所有外部區(qū)域的結(jié)構(gòu)膜層，使得該膜層部分重疊在所述電極的敞開面。此外，結(jié) 構(gòu)膜層可用粘合劑附著于電極。此外，粘合劑可至少吸入所述電極的外部區(qū)域的一 部分。這些CCM可以使用固體聚合物電解質(zhì)，所述電解質(zhì)包含全氟磺酸離聚物和/ 或發(fā)泡聚四氟乙烯。這些實施方式中的結(jié)構(gòu)膜層可包含聚萘二甲酸乙二酯或含四氟 乙烯的含氟熱塑性材料。使用粘合劑時，粘合劑可包含含四氟乙烯的含氟熱塑性材 料。本發(fā)明的其他實施方式包括使用前面兩個段落中描述的涂覆催化劑的膜的組 合件，其中，該組合件還包括至少一個氣體擴散層。此外，這些組合件中的任何一 個還包括密封墊圈。本發(fā)明的又一些實施方式包括涂覆催化劑的膜組合件，所述組合件包括有 兩個面的固體聚合物電解質(zhì)膜，基本上覆蓋所述固體聚合物電解質(zhì)膜的整個第一面 的第一電極，基本上覆蓋所述固體聚合物電解質(zhì)膜的整個第二面的第二電極，附著 于第一電極的至少兩個相反的外部區(qū)域的第一結(jié)構(gòu)膜層，使得第一結(jié)構(gòu)膜層與其附 著的電極的敞開面部分重疊，附著于(i)或/和(ii)的第二結(jié)構(gòu)膜層，(i)所述第二 電極的至少兩個相反的外部區(qū)域，使得第二結(jié)構(gòu)膜層與其附著的電極的敞開面部分 重疊；(ii)所述第一結(jié)構(gòu)膜層。在燃料電池中使用這類組合件也是本發(fā)明的一個實 施方式。
本發(fā)明的進一步的實施方式包括上一段落中的涂覆催化劑的膜組合件，其中，
第一結(jié)構(gòu)膜層或/和第二結(jié)構(gòu)膜層用粘合劑附著于電極，或者第一或第二結(jié)構(gòu)膜層 吸入其附著的第一或第二電極的所述外部區(qū)域的至少一部分。
在本發(fā)明的其他實施方式中，涂覆催化劑的膜組合件包括有兩個面的固體 聚合物電解質(zhì)膜，基本上覆蓋所述聚合物電解質(zhì)膜的整個第一面的第一電極，基本 上覆蓋所述聚合物電解質(zhì)膜的整個第二面的第二電極，附著于第一電極的整個外部 區(qū)域的第一結(jié)構(gòu)膜層，使得第一結(jié)構(gòu)膜層與其附著的電極的敞開面部分重疊，附著 于(i)或/和(ii)的第二結(jié)構(gòu)膜層，(i)所述第二電極的至少兩個相對的外部區(qū)域， 使得第二結(jié)構(gòu)膜層與其附著的電極的敞開面部分重疊；(ii)所述第一結(jié)構(gòu)膜層。這 些組合件可以具有用粘合劑附著于第一電極或第二電極的第一或第二結(jié)構(gòu)膜層。此 外，粘合劑可以吸入第一電極或第二電極的外部的至少一部分。這些CCM可以使用 固體聚合物電解質(zhì)，該電解質(zhì)包含全氟磺酸離聚物和/或發(fā)泡聚四氟乙烯。這些實 施方式中的結(jié)構(gòu)膜層可包含聚萘二甲酸乙二酯或含四氟乙烯的含氟熱塑性材料。使 用粘合劑時，粘合劑可包含含四氟乙烯的含氟熱塑性材料。組合件還可以包括至少 一層氣體擴散層，并可進一步包括密封墊圈。
本發(fā)明的又一些實施方式包括制備涂覆催化劑的膜組合件的方法，該方法包 括(a)提供完全催化的膜組合件，該組合件包括固體聚合物電解質(zhì)膜和至少一個 附著于所述聚合物電解質(zhì)膜的電極；(b)將結(jié)構(gòu)膜層附著于所述電極的至少兩個相 反的外部區(qū)域，使得其與所述電極的敞開面部分重疊。所述方法在步驟(b)還使用 粘合劑來結(jié)合結(jié)構(gòu)膜層，所述粘合劑可以是熱塑性聚合物，或 含四氟乙烯的含氟熱塑性材料。本發(fā)明進一步的實施方式包括附加步驟(c)，該步
驟中包括在至少一個所述電極上施加氣體擴散層，或者在所述結(jié)構(gòu)膜層上施加密封墊圈；或者包括兩個附加步驟(c)和(d)，步驟(C)和(d)中在組合件上同時應(yīng)用 氣體擴散層和密封層。
附圖簡述
圖l(a)-(c)是本發(fā)明示例實施方式的截面?zhèn)纫晥D，圖示說明具有單一結(jié)構(gòu)膜 層的組合件。
圖2(a)-(c)是本發(fā)明另一個示例實施方式的截面?zhèn)纫晥D，圖示說明具有單一
結(jié)構(gòu)膜層的組合件。
圖3(a)-(c)是本發(fā)明示例實施方式的截面?zhèn)纫晥D，圖示說明具有兩層結(jié)構(gòu)膜 層的組合件。
圖4(a)-(c)是本發(fā)明另一個示例實施方式的截面?zhèn)纫晥D，圖示說明具有兩層 結(jié)構(gòu)膜層的組合件。
圖5(a)-(c)是本發(fā)明另一個示例實施方式的截面?zhèn)纫晥D，圖示說明具有兩層 結(jié)構(gòu)膜層的組合件。
圖6(a)-(c)是本發(fā)明另一個示例實施方式的截面?zhèn)纫晥D，圖示說明具有兩層 結(jié)構(gòu)膜層的組合件。
圖7(a)-(c)是本發(fā)明另一個示例實施方式的截面?zhèn)纫晥D，圖示說明具有兩層 結(jié)構(gòu)膜層的組合件。
圖8(a)-(c)是本發(fā)明另一個示例實施方式的截面?zhèn)纫晥D，圖示說明具有兩層 結(jié)構(gòu)膜層的組合件。
圖9(a)-(c)是本發(fā)明另一個示例實施方式的截面?zhèn)纫晥D，圖示說明具有兩層 結(jié)構(gòu)膜層的組合件。
圖10(a)-(b)是本發(fā)明的示例實施方式的俯視圖。
圖11(a)-(c)是本發(fā)明示例實施方式的截面?zhèn)纫晥D，圖示說明具有氣體擴散 介質(zhì)的組合件。
圖12是本發(fā)明示例實施方式的截面?zhèn)纫晥D，圖示說明具有密封墊圈的組合件。 圖13是圖示說明制造本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)膜層的組合件的方法的一個實施方式。 圖14 (a) - (b)是圖示說明制造本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)膜層的組合件的方法的另一個 實施方式。發(fā)明詳述
本發(fā)明具體是具有電極的組合件，所述電極與膜共同延伸，即電極覆蓋膜
的整個面，與結(jié)構(gòu)膜層組合，所述結(jié)構(gòu)膜層與一個或兩個電極的面的外部區(qū)域
重疊。在此所用"結(jié)構(gòu)膜層"表示硬質(zhì)非彈性的固體。不可進行任何顯著程度
的壓縮。其功能不是進行密封。在此使用的非彈性聚合物是在室溫下反復(fù)拉伸到其原來長度的至少2倍后不能回到其原來長度的聚合物。在此所用"重疊"
表示結(jié)構(gòu)膜層覆蓋或者在一個或兩個電極的面的外部區(qū)域的一部分上。
本發(fā)明示例實施方式的橫截面示于圖l(a)中，其中，所示組合件10具有與結(jié)構(gòu)膜層14相配的CCM 11。這種結(jié)構(gòu)的兩個不同示例實施方式的結(jié)構(gòu)膜層與CCM的重疊區(qū)域的一側(cè)的放大圖示于圖l(b)和l(c)。在圖l(b)中，CCM 11包括膜12和兩個電極13和13'。結(jié)構(gòu)膜層14與電極13重疊并與之結(jié)合。在圖l(c)中，結(jié)構(gòu)膜層14吸入到電極13的外部區(qū)域。吸入的部分16可以只包括外部區(qū)域的一部分(如圖l(c)中所示)，或者可包括從電極面至電極-膜界面的重疊的結(jié)構(gòu)膜材料的整個外部區(qū)域(未示出)。圖l(b)和圖l(c)所示實施方式的一個差異在于前者的電極13的邊緣基本上敞開，而后者的邊緣被結(jié)構(gòu)膜材料部分或完全覆蓋。
圖2示出本發(fā)明的另一示例實施方式。組合件10通過使用粘合劑15與結(jié)構(gòu)膜層14配合。這種結(jié)構(gòu)的兩個不同示例實施方式的結(jié)構(gòu)膜層與CCM的重疊區(qū)域的一側(cè)放大圖示于圖2(b)和2(c)。在圖2(b)中，CCM 11包括膜12和兩個電極13和13'。結(jié)構(gòu)膜層14與電極13重疊并通過粘合劑15與之結(jié)合。在圖2(c)中，粘合劑15吸入到電極13'的外部區(qū)域。吸入的部分18可以只包括外部區(qū)域的一部分(如圖2(c)中所示)，或者可包括從電極面至電極-膜界面的重疊的結(jié)構(gòu)膜材料的整個外部區(qū)域(未示出)。在這些實施方式中，粘合劑的量和類型以及采用的處理條件可以根據(jù)需要控制，以控制覆蓋CCM ll邊緣的量。也就是說，粘合劑可以不覆蓋電極13的邊緣或僅覆蓋很少量，覆蓋電極全部，或者只覆蓋其一部分。此外，如果使用足夠的粘合劑，粘合劑可能覆蓋膜的邊緣，甚至相背電極13'的邊緣。優(yōu)選的實施方式中至少電極13的邊緣被完全覆蓋，因為這樣可以防止氣體從組合件一側(cè)內(nèi)滲透至另一側(cè)。防止氣體滲漏是本發(fā)明的一個優(yōu)點。氣體密封裝置可以是粘合劑本身，或者將結(jié)構(gòu)膜層吸入電極中。"氣體密封"表示反應(yīng)物和氧化劑氣體被至少一個基本上無孔的固體隔開。此外，電極的重疊區(qū)域中可以設(shè)置孔，或者需要將粘合劑附加機械鎖閉至MEA時，具有附加的表面粗糙度，例如通過對表面壓花而產(chǎn)生的表面粗糙度。圖1-2中所示的電極13和13'可以是不同組成的，根據(jù)它們是用作燃料電池
中的陰極還是陽極而定。圖1-2中所示的結(jié)構(gòu)膜層14可設(shè)置在用作陽極的電極土，或者用作陰極的電極上。使用粘合劑進行粘合(圖2)時，粘合劑還可存在
于結(jié)構(gòu)膜層的相反面。在該實施方式中，結(jié)構(gòu)膜層在其兩個表面上都有粘合劑，每個表面上的粘合劑不必相同。
本發(fā)明的其他實施方式示于圖3-9。在這些實施方式中，使用兩層結(jié)構(gòu)膜層。在圖3中，兩層結(jié)構(gòu)膜層14和14'附著于CCM 11的第一電極和第二電極13和13'，使得它們各自與其相應(yīng)電極重疊，重疊程度大致相同。在圖3(b)所示的實施方式中，結(jié)構(gòu)膜層不吸入電極，而在圖3(c)所示的實施方式中，有結(jié)構(gòu)膜層吸入電極的區(qū)域16。這些實施方式中，任選存在小的空隙空間19?？障犊臻g的存在和尺寸取決于結(jié)構(gòu)膜層與電極的結(jié)合工藝的特性，以及結(jié)構(gòu)膜層的組成。較高熱量和壓力會減小空隙空間的體積，同樣地，較低熔化溫度的熱塑性聚合物在較低溫度下具有較高的流動趨勢，也會減小空隙空間的體積。吸入電極中也會減小空隙空間。在圖3(c)中，吸入的部分16可以只包括外部區(qū)域的一部分(如圖3(c)中所示)，或者可包括從電極面至電極-膜界面的重疊的結(jié)構(gòu)膜材料的整個外部區(qū)域(未示出)。吸入兩個電極13和13'中的程度在需要時可以不同。
在圖4中，使用粘合劑15將兩個結(jié)構(gòu)膜層與其相應(yīng)的電極結(jié)合。在圖4b中，兩個結(jié)構(gòu)膜層14和14'用粘合劑15與膜12的第一電極和第二電極13和13'結(jié)合，使得各結(jié)構(gòu)膜層與其相應(yīng)的電極的重疊程度大致相同。在圖4(b)所示的實施方式中，結(jié)構(gòu)膜層未吸入電極，而在圖4(c)所示的實施方式中，結(jié)構(gòu)膜層吸入電極。在圖4(c)中，吸入的部分18可以只包括外部區(qū)域的一部分(如圖4(c)中所示)，或者可包括從電極面至電極-膜界面的重疊的結(jié)構(gòu)膜材料的整個外部區(qū)域(未示出)。吸入兩個電極13和13'的程度在需要時可以不同。
本發(fā)明的又一個實施方式示于圖5。該實施方式說明當(dāng)使用兩個結(jié)構(gòu)膜層時，重疊不必相同。該實施方式與圖3所示實施方式類似，除了結(jié)構(gòu)膜層14'的重疊程度小于結(jié)構(gòu)膜層14。該實施方式的其他特征與圖3所述類似。
本發(fā)明的又一個實施方式示于圖6。該實施方式說明在使用兩個結(jié)構(gòu)膜層，存在粘合劑來增強結(jié)合時重疊不必相同。該實施方式與圖4所述實施方式類似，除了結(jié)構(gòu)膜層14'的重疊程度小于結(jié)構(gòu)膜層14。該實施方式的其他特征與圖4所述類似。
本發(fā)明的又一個實施方式示于圖7，其中，第二結(jié)構(gòu)膜層14'根本沒有與第二電極13'重疊，而是與CCM ll的邊緣對接，與第一結(jié)構(gòu)膜層14結(jié)合。第一結(jié)構(gòu)膜層可以部分吸入電極(圖7 (C)的18)，完全吸入(未示出)或者根本不吸
入(圖7(b))。
在8和圖9所示的本發(fā)明的其他實施方式中，第二結(jié)構(gòu)膜層不覆蓋第二電極13'的外部部分，但是用粘合劑15與第一結(jié)構(gòu)膜層14結(jié)合。用于粘合的粘合劑可以部分吸入第一電極(圖8(c)和圖9(c)中18)，完全吸入(未示出)，或者根本不吸入吸入(圖8(b)和圖9(b))。任選地，粘合劑還可以不覆蓋第一電極的外部部分，而只存在于第一和第二結(jié)構(gòu)膜層之間。此外，第二結(jié)構(gòu)膜層14'可于CCM 11的邊緣對接，如圖8所示，或者于所示邊緣相鄰，如圖9所示。在后一情況，雖然并不需要，但是優(yōu)選粘合劑填充CCM和第二結(jié)構(gòu)膜層的間隙19。
在圖3-9所示的實施方式中，有兩個結(jié)構(gòu)膜層，該兩層不必具有相同的組成，盡管優(yōu)選有相同的組成。而且，在這些實施方式中使用粘合劑進行結(jié)合時，粘合劑僅存在于兩個結(jié)構(gòu)膜層之一上。或者，可以存在于兩個結(jié)構(gòu)膜層的一個表面或兩個表面上。在結(jié)構(gòu)膜層的兩個表面上都有粘合劑的實施方式中，在每一表面上的粘合
劑的組成不必相同。此外，結(jié)構(gòu)膜層上使用的組合物需要時可以不同。.
由本發(fā)明制備的組合件的形狀優(yōu)選基本為矩形，但是需要時可以使用任何面
積，包括圓形、橢圓形或其他不成對形狀面積(odd-shaped area)。對于具有四條可定義的側(cè)邊的基本為矩形的組合件，結(jié)構(gòu)膜層優(yōu)選存在于所有四個側(cè)邊上，如圖10(a)所示，圖10(a)示出從CCM 11頂部向下看具有結(jié)構(gòu)膜層14的組合件10的分布的平面圖。在本發(fā)明的另一個實施方式中，可以使用兩個結(jié)構(gòu)膜層14的帶狀物，使最終的組合件只在CCM11的相反邊緣上存在結(jié)構(gòu)膜層，如圖10(b)所示。在此所用"相反邊緣"表示這些邊緣基本上彼此相反。對矩形組合件，相反的邊緣基本上相互平行，如圖10(b)所示，但是在非矩形形狀時可以不是如此。
本發(fā)明的組合件可以使用本領(lǐng)域已知的任何聚合物電解質(zhì)膜，包括但不限于包含酚基磺酸的組合物；聚苯乙烯磺酸；氟化苯乙烯磺酸；全氟化磺酸；磺化聚(芳基醚酮)；包含二氮雜萘酮基(phthalazinone)和酚基的聚合物，和至少一種磺化芳族化合物；芳族醚、酰亞胺、芳族酰亞胺、烴或全氟化聚合物，
其中的離子酸官能團連接于聚合物主鏈。這種離子酸官能團包括但不限于磺酸、磺酰亞胺或膦酸基團。此外，離子交換材料還可以任選包含增強體以形成復(fù)合膜。較好地，增強體是聚合物材料。聚合物優(yōu)選是微孔膜，具有聚合物原纖和任選節(jié)點的多孔微結(jié)構(gòu)。所述聚合物優(yōu)選是發(fā)泡聚四氟乙烯，或者可以包含聚烯烴，包括但不限于聚乙烯和聚丙烯。將離子交換材料注入在整個膜中，其中，離子交換材料基本上充滿微孔膜中，提供膜基本上封閉的內(nèi)部體積，大
致如Bahar等，RE37.307中所述，因而形成復(fù)合膜。特別.優(yōu)選的復(fù)合膜是 GORE-SELECT 離聚物膜，可從W. L.戈爾&聯(lián)合公司購得(W. L. Gore & Associates)。
圖1-9中的電極13和13'可以是本領(lǐng)域已知的任何組合物，包括但不限于；包 含鉑或其他貴金屬的電極，鉑或貴金屬可用作氧氣還原或燃料氧化的催化劑，并還 可以包含各種其他組分如離聚物、小孔或者其他物質(zhì)。特別優(yōu)選的電極是多孔復(fù)合 電極，含有負載于碳和全氟磺酸聚合物上的鉑或鉬合金。
結(jié)構(gòu)膜層的組合物可包括但不限于各種熱塑性或熱固性聚合物，例如PEN (聚萘二甲酸乙二酯)、非多孔聚丙烯、聚苯乙烯、剛性聚氯乙烯、聚酰亞胺、 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物、聚酰胺、丙烯酸類、乙縮醛、硬質(zhì)纖維 素、聚碳酸酯、聚酯、酚醛塑料、脲-密胺樹脂、環(huán)氧樹脂、氨基甲酸酯、含 氟熱塑性聚合物如FEP(四氟乙烯和六氟丙烯的聚合物)，或THV(四氟乙烯、六
氟丙烯和偏二氟乙烯的三元共聚物)以及玻璃填充的硅氧垸熱固性塑料；金屬 箔，如鋁、金或銀箔等；或陶瓷，如氧化鋁或氧化硅薄層等。
優(yōu)選的結(jié)構(gòu)膜層是聚萘二甲酸乙二酯(PEN)材料。如本領(lǐng)域熟知的，需要時， PEN材科可具有底膠以增強結(jié)合。較好地，結(jié)構(gòu)膜層的厚度約小于0. 075毫米(0.003 英寸)。結(jié)構(gòu)膜層還可以在其至少一個表面上具有粘合劑以促進與電極的結(jié)合。可 以使用任何合適的粘合劑，但是優(yōu)選含氟熱塑性材料，如四氟乙烯、六氟丙烯和偏 二氟乙烯的三元共聚物(例如，Dyneon THV含氟熱塑性材料)。在結(jié)構(gòu)膜層的兩 個側(cè)面都需要粘合劑的情況，在每一側(cè)面上的使用的組合物可以不同。例如，優(yōu)選 在一面上的粘合劑的熔點高于另一面上的粘合劑的熔點，有助于使用兩個結(jié)構(gòu)膜層 的多步驟制造工藝?？梢圆捎帽绢I(lǐng)域已知的任何標準工藝將粘合劑施用于結(jié)構(gòu)膜 層，標準工藝包括但不限于層疊、擠出或浸涂。
本發(fā)明的組合件可以包括需要的附加部件，包括但不限于在一個或兩個電 極上的氣體擴散層，和/或施加在電極、 一個或多個結(jié)構(gòu)膜層上的密封材料，或者 施加氣體擴散層上(如果具有氣體擴散層的話)的密封材料。例如，在圖1-9所示 的每一實施方式中，可以將氣體擴散層施用于一個或兩個電極上。說明這些實施方 式的兩個特定實施方式示于圖11，其中，將氣體擴散層200施用于CCM11的頂部 和底部表面。圖ll(a)圖示說明具有單一結(jié)構(gòu)膜層的實施方式，而圖ll(b)圖示說 明具有兩個結(jié)構(gòu)膜層的實施方式。在這兩個實施方式中，將粘合劑15施用于結(jié)構(gòu)膜層的兩面。雖然并不要求，但是優(yōu)選這種方式，因為能促進氣體擴散層與組合件 的結(jié)合。如圖所示，結(jié)構(gòu)膜層延伸超出氣體擴散層，但是它們還可以共同延伸，或 者在圖ll(b)的情況， 一個結(jié)構(gòu)膜層可以與氣體擴散層共同延伸，另一個不與 氣體擴散層共同延伸。需要時粘合劑層還可以任選滲入氣體擴散層(圖11中未示 出)。在圖ll所示的實施方式中，示出在CCM和氣體擴散層之間的間隙201。需要 時可以將間隙減至最小和/或加以控制，因為氣體擴散層一定程度上是柔順性的， 在放置時如果施加壓力可能會填充間隙?；蛘撸g隙應(yīng)變會在燃料電池組裝時因施 加較大壓力而減小。需要時可以通過減小氣體擴散層的尺寸來消除減小，如
圖ll(c)中所示，使得氣體擴散層只與CCM接觸，而不與結(jié)構(gòu)膜層重疊。
在圖l-ll所示的本發(fā)明各實施方式中，如果需要附加密封，可以將墊圈放置
或模塑在組合件的外部。墊圈可以與結(jié)構(gòu)膜層共同延伸，可以覆蓋結(jié)構(gòu)膜層的邊緣， 或者結(jié)構(gòu)膜層可延伸超出墊圈。在此所述的本發(fā)明的實施方式特別需要模塑
密封墊圈，因為結(jié)構(gòu)膜層超出CCM和/或氣體擴散層。因此它們提供用于模塑的固 體的硬表面，因而使模塑過程容易進行，并提高其產(chǎn)率。此外，模塑表面遠離CCM 的活性區(qū)域，因此將模塑過程中對CCM的潛在損害減至最小。
在結(jié)構(gòu)膜層和/或粘合劑不能密封至少一個電極和/或膜的邊緣的實施方式中 需要墊圈。這種情況下，墊圈可提供防止氣體從陽極和陰極氣室之間泄漏所需的密 封。 一個說明性的例子示于圖12，其中示出本發(fā)明實施方式的一個邊緣的截面圖。 墊圈20模塑在結(jié)構(gòu)膜層上，密封CCM ll的邊緣以防止氣體穿過。
圖13圖示說明制備組合件的方法，根據(jù)如圖1和圖2中圖示說明的本發(fā)明的 示例實施方式，其在側(cè)視圖中以105表示和在俯視圖中以105'表示。催化的膜組 合件101包括膜和基本上覆蓋膜的至少一個表面的至少一個電極，將該組合件從第 一膜巻軸100上展開。然后在102將這種膜組合件切割成為所需的最終組合件寬度， 制得完全催化的膜組合件(FCMA)103，然后將該組合件巻在輥104上。然后FCMA 與結(jié)構(gòu)膜層配合，如圖13(b)所示。雖然在圖13(b)所示的加工步驟按獨立于圖13(a) 的步驟示出，但是需要時這些步驟與圖13(a)的那些步驟順聯(lián)(in-line)進行。結(jié) 構(gòu)膜層no從輥109上展開，模切為所需形狀，制得其中具有窗的結(jié)構(gòu)膜層112。 如上所述，需要時結(jié)構(gòu)膜層110的一面可具有粘合劑。然后，將結(jié)構(gòu)膜層層疊至 FCMA107， FCMA107按照13(a)制備，從輥108展開，在114切割成一定長度，將 輥115上的切割片傳遞至結(jié)構(gòu)膜層112，該結(jié)構(gòu)膜層經(jīng)過輥113。需要時輥113可 以預(yù)熱(或在爐中)以提高結(jié)構(gòu)膜層的粘性，改進傳遞步驟中的結(jié)合。組合件U具有放置在結(jié)構(gòu)膜層中的窗上的FCMA，然后用輥117將該組合件任選進一步層疊。 需要時在層疊步驟中可進行加熱。最后，將具有附著的結(jié)構(gòu)膜層118的FCMA切割 成最終長度，在切割機119處制得離散部件。
圖14圖示說明制備組合件的不同方法，根據(jù)如圖1和圖2中圖示說明的本發(fā) 明的示例實施方式，在128的邊緣視圖和從128，的頂部的平面圖示出。催化的膜 組合件101包括膜和基本上覆蓋膜的至少一個表面的至少一個電極，將該組合件從 第一膜巻軸100上展開。然后在102將這種膜組合件切割成為所需的最終組合件 寬度，制得完全催化的膜組合件(FCMA)103。然后，用切割機120將FCMA切割離散 部件121。切割機120可包括本領(lǐng)域已知的任何類型的切割機，包括但不限于旋轉(zhuǎn) 模切割機，鋼尺模切割機，匹配機械模，激光切割機，或狹縫切割機和切邊機。然 后，將收集的FCMA部件121(平面圖中以121'示出)與結(jié)構(gòu)膜層相配，如圖14(b) 所示。雖然在圖14(b)所示的加工步驟按獨立于圖14(a)的步驟示出，但是需要時 這些步驟與圖14(a)的那些步驟順聯(lián)進行。結(jié)構(gòu)膜層123從輥122上展開并在切割 機124中切割成離散的"窗-框"部件，其在側(cè)視圖中以125表示，在俯視圖顯示 為125'。切割機124可包括本領(lǐng)域已知的任何類型的切割機，包括但不限于旋轉(zhuǎn) 模切割機，鋼尺模切割機，匹配機械模，激光切割機，或狹縫切割機和切邊機。如 上所述，需要時結(jié)構(gòu)膜層123的一面可具有粘合劑。結(jié)構(gòu)膜層部件125在定位裝置 器126中與FCMA部件121配合。然后將單獨各部件在層疊步驟127中結(jié)合，制得 最終部件，該最終部件在側(cè)視圖中以128表示，在平面圖中以128'表示。
本發(fā)明的其他實施方式包括使用兩個結(jié)構(gòu)膜層的組合件(如圖3-9中所示)的 制備方法。這些方法按照圖13或圖14中示出的步驟進行，但是，不同之處是第二 結(jié)構(gòu)膜層在與第一結(jié)構(gòu)膜層相反的面上與CCM相配。例如，采用圖13所示的方法， 第二結(jié)構(gòu)膜層分別用類似于109， 111， 13的第二輥，切割機和輥引入，從114切 割的CCM在115置于兩個結(jié)構(gòu)膜層之間。用于該工藝的兩個結(jié)構(gòu)膜層可以切割使所 述窗具有相同的尺寸，以制備如圖3-4中示出的那些產(chǎn)品，或切割成不同尺寸的窗， 制備如圖5-9中示出的那些組合件。
或者，直接采用圖14中的工藝步驟，除了對每個CCM 122制備兩個結(jié)構(gòu)膜層 123。對定位裝置器改進，以將CCM 122放置在兩個結(jié)構(gòu)膜層123之間。在該工藝 中使用的兩個結(jié)構(gòu)膜層可以切割使所述窗具有相同的尺寸，以制備如圖3-4中示出 的那些產(chǎn)品，或切割成不同尺寸的窗，制備如圖5-9中示出的那些組合件。在所有說明的實施方式中，結(jié)構(gòu)薄膜提供了顯著的改進。如上所述可以保護 組合件并提供結(jié)構(gòu)支承，制備用于燃料電池的耐久性更佳且延長壽命的組合件。此 外，結(jié)構(gòu)膜層的應(yīng)用和使用該結(jié)構(gòu)膜層制備組合件的相應(yīng)工藝能提高昂貴電極材料 的利用度，因而降低制造成本。此外，如說明性實施方式中提出的使用結(jié)構(gòu)膜層能 夠以高體積、高產(chǎn)率制造組合件，因此降低組合件的成本。
實施例 實施例1
如下制備本發(fā)明的完全催化的膜組合件.
1) 使用鋼尺模，將5510系列膜電極組合件(EMA)(可從馬里蘭州愛爾頓的W. L. 戈爾&聯(lián)合公司(W. L. Gore & Associates, Elkton, MD)購得)模切為51 X 53毫米的 尺寸，該組合件具有陰極和陽極，負載0.4毫克Pt/厘米2和18微米厚的膜。
2) 使用鋼尺膜，將窗模切為102微米(0.004英寸)厚的THV 220G膜片，THV 220G膜是由DyneonTM含氟熱塑性材料制備。該窗具有以下尺寸內(nèi)窗=48X46 毫米，外邊界=90X100毫米。
3) 將127微米(O. 005英寸)厚的聚酰亞胺膜(Kapton⑧薄膜)切割成130X150 毫米尺寸，將MEA放置在該薄膜中心。
4) 然后，通過肉眼觀察下將THV內(nèi)窗與MEA對齊，使MEA在周圍重疊約2.5 毫米。此外,該組合件上覆蓋另一個127微米(0.005英寸)厚的聚酰亞胺膜片，該 薄膜片的尺寸切割為130X150毫米。
5) 然后，將組合的片放置在輸送板上，使得MEA向上取向。該輸送板上一面 尺寸為12X12英寸，由1/8英寸厚的鋁基材組成，在其頂表面設(shè)置具有3/16英寸 厚的硅酮墊(MSC Industrial Supply PN 31938731)。在該墊的頂表面上放置127 微米(0.005英寸)厚的聚酰亞胺片，將部件與橡膠隔開。
6) 整個組合件置于加熱的壓板壓機(PHI型號Q230H)中約10秒，該壓機的上 壓板加熱至180'C，壓力約為100磅/英寸s(psi)。
—7)壓制周期結(jié)束后，取出部件使冷卻。除去聚酰亞胺覆片，顯示成功制備的 完全催化的膜組合件(FCMA)。
將顯示結(jié)構(gòu)膜層的制成的產(chǎn)品與MEA結(jié)合，對其提供結(jié)構(gòu)支承。
15實施例2-3
這兩個例子說明可以改變含氟熱塑性材料的厚度制備本發(fā)明的FCMA。 一個產(chǎn) 品按照實施例1的方法制備，除了在步驟2使用的THV薄膜是通過螺桿擠出在內(nèi)部 制備的，在實施例2中制成的厚度為38微米(0.0015英寸)，實施例3中制成的厚 度為25微米(0.001英寸)。這兩種情況下，成功制備產(chǎn)品，將THV與MEA結(jié)合， 對其提供結(jié)構(gòu)支承。
實施例4-8
這些實施例說明可以使用各種不同熱塑性材料制備本發(fā)明的產(chǎn)品。在實施例 4-8中采用實施例1所述的方法，除了分別使用102微米(O. 004英寸)厚的THV 500 薄膜(明尼蘇達州明尼阿波利斯的3M公司(3M, Minneapolis, MN)， 76微米(O. 003英寸)厚的PVDF薄膜(特拉華州內(nèi)瓦克阿加德薄膜集團(Ajedium Film Group, Newark DE) ， 254微米(0. 010英寸)厚度的改性聚苯醚材料(Nory1⑧ EN-265薄膜，特拉華州內(nèi)瓦克阿加德薄膜集團)，127微米(0.005英寸)厚度的另 一種改性聚苯醚材料(Nory1 N300X薄膜，特拉華州內(nèi)瓦克阿加德薄膜集團)和 25微米(0. 001英寸)厚的EFEP薄膜替代實施例1的THV 200G。各實施例都成功制 備了產(chǎn)品。熱塑性材料與MEA成功結(jié)合，提供支承。
實施例9
本發(fā)明的又一個實施方式如下使用粘合劑結(jié)合結(jié)構(gòu)膜層，制備完全催化的膜 電極組合件
1. 使用鋼尺模，將5510系列膜電極組合件(馬里蘭州愛爾頓的W. L.戈爾&聯(lián)合 公司)模切為51X53毫米的尺寸，該組合件具有陰極和陽極，負載0.4毫克Pt/厘 米2和18微米厚的膜。
2. 通過以下方式在加熱的壓板壓機中將102微米(0.004英寸)厚的 DyneonTM含氟熱塑性材料THV 220G膜片(明尼蘇達州明尼阿波利斯的3M公司) 層疊在25微米(0. 001英寸)厚的PEN片(Teonex②Q51 DW，從弗吉尼亞州毫帕威 的杜邦臺金薄膜公司(DuPont Teijin Films, Hopewell, VA)獲得)上，將8X12 英寸的THV膜片放置同樣尺寸的PEN薄膜頂部，該薄膜被一層O. 005英寸厚的聚 酰亞胺薄膜包圍。將該組合件按照實施例l所述放置在輸送板上，并按照實施 例1所述放置在加熱的壓板壓機中約10秒。上壓板加熱至約14(TC，壓合壓力設(shè)定為IOO psi。壓制周期結(jié)束后，取出材料冷卻。冷卻后，剝離聚酰亞胺薄膜， 露出層疊的復(fù)合物。 -
3. 使用鋼尺模將步驟2制備的層疊復(fù)合物模切為以下尺寸內(nèi)窗二 48X46毫 米，外邊界=90X100毫米。
4. 將MEA置于0.005英寸厚的聚酰亞胺薄膜的中心，該薄膜切割成130X150 亳米的尺寸。
5. 然后，通過肉眼觀察下將層疊薄膜的內(nèi)窗與MEA對齊，使MEA在周圍重疊 約2.5毫米。此外，該組合件上覆蓋另一個0.005英寸厚的聚酰亞胺膜片，該薄膜 片的尺寸切割為130X150毫米。
6. 然后，將組合的片按照實施例l放置在輸送板上，使得MEA朝上。
7. 整個組合件置于加熱的壓板壓機(PHI型號Q230H)中約10秒，該壓機的上 壓板加熱至180°C，壓力約為100 psi。
8. 壓制周期結(jié)束后，取出部件使冷卻。除去聚酰亞胺覆片，顯示加外框的EMA。 將顯示結(jié)構(gòu)膜層的制成的產(chǎn)品與MEA完全結(jié)合，對其提供結(jié)構(gòu)支承。
實施例10
按照實施例9制備本發(fā)明產(chǎn)品，除了在將結(jié)構(gòu)膜層與MEA層疊之前，使用尖 銳設(shè)備在邊界區(qū)域無規(guī)設(shè)置許多小孔。將顯示結(jié)構(gòu)膜層的制成的產(chǎn)品與MEA完全結(jié) 合，對其提供結(jié)構(gòu)支承。
實施例11
本發(fā)明的另一個實施方式如下制備在MEA兩面使用結(jié)構(gòu)膜層的組合件
1. 使用鋼尺模，將5510系列膜電極組合件(馬里蘭州愛爾頓的W. L.戈爾&聯(lián)合 公司)模切為51X53毫米的尺寸，該組合件具有陰極和陽極，負載0.4毫克Pt/厘 米2和18微米厚的膜。
2. 使用鋼尺模，將兩個102微米(O. 004英寸)厚的含氟熱塑性材料(DyneonTM 含氟熱塑性材料THV 220G，明尼蘇達州明尼阿波利斯的3M公司)模切為以下尺寸 內(nèi)窗二 48X46毫米，外邊界=90X100毫米。
3. 將THV材料的第一層放置在125微米(O. 005英寸)厚的聚酰亞胺膜片的頂 部，切割的該膜片尺寸為130X150毫米。然后，通過肉眼觀察下將MEA與THV薄膜的內(nèi)窗對齊，使得MEA周圍全部重疊約2.5毫米。然后，通過肉眼觀察下將 第二THV層與MEA對齊，使得MEA周圍全部重疊約2.5毫米。-
4. 整個組合件上覆蓋另一個125微米(0. 005英寸)厚的聚酰亞胺膜片，該薄膜 片的尺寸切割為130X 150毫米。
5. 將該組合件放置在輸送板(參見實施例l)上，移入加熱的壓板壓機(PHI型 號Q230H)約10秒，該壓機的上壓板加熱至180°C，壓力為100 psi。
6. 壓制周期結(jié)束后，取出部件使冷卻。除去聚酰亞胺覆片，顯示加外框的EMA。 將顯示出結(jié)構(gòu)膜層已經(jīng)與MEA互相結(jié)合，從而對MEA提供結(jié)構(gòu)支承。
實施例12
類似于實施例11制備產(chǎn)品，除了在THV含氟熱塑性材料的頂表面上施用PEN 支承層。將MEA置于兩個結(jié)構(gòu)膜層之間后，使組合件從加熱的輥之間通過，從而完 成所需層疊。MEA與結(jié)構(gòu)膜層結(jié)合，這些層為其提供支承。
實施例13
如下使用兩個結(jié)構(gòu)膜層制備產(chǎn)品，其中，使用粘合劑來實施與MEA的結(jié)合
1. 使用鋼尺模，將5510系列膜電極組合件(馬里蘭州愛爾頓的W. L.戈爾&聯(lián)合 公司)模切為51X53毫米的尺寸，該組合件具有陰極和陽極，負載0.4毫克Pt/厘 米2和18微米厚的膜。
2. 采用實施例2中的相同方法，將102微米(0.004英寸)厚THV 220G與PEN 表面層疊。在該實施例中制備兩個大致相同的片。
3. 將步驟2制備的兩個片用鋼尺模切割成以下尺寸內(nèi)窗=48X46毫米， 外邊界=90X100毫米。
4. 將MEA置于125微米(O. 005英寸)厚聚酰亞胺覆片上，在肉眼觀察下將其中 一個框與MEA對齊，顯示周圍約2. 5毫米重疊。在該產(chǎn)品上覆蓋另一個125微米 (0.005英寸)厚的聚酰亞胺片，按照實施例1所述放置在輸送板上，MEA朝上。
5. 將部件加熱和壓制約5秒，壓板溫度約15(TC，壓力為50 psi。
6. 壓制周期結(jié)束后，從壓機取出產(chǎn)品使空氣冷卻。然后剝離部件的MEA面上 的聚酰亞胺片。
7. 在肉眼觀察下將步驟2制得的第二框與MEA對齊，使THV面對MEA。該對齊 步驟包括將框內(nèi)窗定位在MEA的外邊界，顯示在周圍2. 5毫米的重疊。8.將另一個125微米(O. 005英寸)厚的聚酰亞胺片設(shè)置在新放置的框的頂
部。 .
9. 按照實施例1所述將完整組合件放置在輸送板上，位于加熱的壓板壓機中。
10. 部件加熱壓制約10秒，壓板溫度約為180。C，壓力為IOO psi。
11. 壓制周期結(jié)束后，從壓機取出部件使空氣冷卻。然后剝離聚酰亞胺片。 將制成的MEA與結(jié)構(gòu)膜層結(jié)合，該結(jié)構(gòu)膜層對MEA提供結(jié)構(gòu)支承。
實施例14
本實施例為本發(fā)明的另一個實施方式。使用由粘合劑實施結(jié)合的兩個結(jié)構(gòu)膜 層，但是只有一個結(jié)構(gòu)膜層與電極重疊。制備過程如下
1. 使用鋼尺模，將5510系列膜電極組合件(馬里蘭州愛爾頓的W. L.戈爾&聯(lián)合 公司)模切為51X53毫米的尺寸，該組合件具有陰極和陽極，負載0.4毫克Pt/厘 米2和18微米厚的膜。 ，
2. 按照實施例9中步驟2，將102微米(0. 004英寸)厚的THV 220G薄膜與PEN 層疊。
3. 將25微米(0.001英寸)厚的PEN薄膜鋼尺模切為以下尺寸內(nèi)窗=55X56 毫米，外邊界=90X100毫米。
4. 通過將單一 PEN放置在PEN+THV層疊物的THV面上，將步驟3制得的PEN 層與步驟2制得的層層疊。然后，將該組合件放置在兩個125微米(0.005英寸)厚 的聚酰亞胺片之間，放置在輸送板上，使得單一PEN向上取向。將該組合件置于壓 板壓機中約5秒，上壓板溫度約為180°C，壓力為IOO psi。該周期結(jié)束后，取出 部件使冷卻。然后從該組合件剝離聚酰亞胺覆片，露出層疊的組合件。
5. 使用鋼尺模將步驟4制得的組合件切割為以下尺寸外周邊90X100毫米， 內(nèi)窗為46X48毫米。
6. 將MEA放置在125微米(0. 005英寸)厚的聚酰亞胺覆片上，將步驟5制得的 框與該MEA對齊，使得框與MEA重疊約2.5毫米。然后，在該組合件上覆蓋另一個 125微米(0.005英寸)厚聚酰亞胺片，置于輸送板上，MEA朝上取向。
7. 部件加熱壓制約IO秒，壓板溫度約為18(TC，壓力為IOO 。
8. 該周期結(jié)束后，從壓機取出組合件使其空氣冷卻。然后從該組合件剝離聚 酰亞胺片。
將制成的MEA與結(jié)構(gòu)膜層結(jié)合，這些層提供對MEA的支承。實施例15
該實施例中制備本發(fā)明的另一種產(chǎn)品，說明在組合件上施用氣體擴散層如下 所述制備產(chǎn)品
1. 使用鋼尺模，將5510系列膜電極組合件(馬里蘭州愛爾頓的W. L.戈爾&聯(lián)合
公司)模切為51X53毫米的尺寸，該組合件具有陰極和陽極，負載0.4毫克Pt/厘 米2和18微米厚的膜。
2. 將102微米(0. 004英寸)厚的THV 220G薄膜與25微米(0. 001英寸)厚 的PEN片重疊。在加熱的壓板壓機中，通過在被0.005英寸厚的聚酰亞胺薄膜 包圍的8X12英寸PEN薄膜的頂部放置同樣尺寸的THV薄膜實現(xiàn)層疊。將該組 合件放置在輸送板上(參見實施例l)并插入加熱的壓板壓機中約10秒。上壓板 加熱至約14CTC，閉合壓力設(shè)定為100 psi。該周期結(jié)束后，取出該材料使冷 卻。冷卻后剝離聚酰亞胺薄膜，露出層疊的復(fù)合物。此時將另一片THV放置在 該層疊物的相反面上形成THV + PEN + THV的復(fù)合物。再將該層疊物設(shè)置在兩個 聚酰亞胺片之間，放置在輸送板上。將該輸送板插入加熱的壓板壓機中保持10秒， 上壓板加熱至14(TC，壓力約為IOO psi。該周期結(jié)束后，取出層疊物使冷卻。 剝離聚酰亞胺片，顯示層疊物。
3. 施用鋼尺模，將步驟2制得的層疊復(fù)合物切割為以下尺寸內(nèi)窗=48X46 毫米，外邊界=90X100毫米。
4. 將MEA放置在125微米(O. 005英寸)厚的聚酰亞胺膜片的中心，切割成130 X150毫米尺寸。
5. 然后在肉眼觀察下將層疊的薄膜的內(nèi)窗與MEA對齊，使MEA在周圍重疊2. 5 毫米。然后組合件覆蓋另一個125微米(0.005英寸)厚的聚酰亞胺薄膜，該薄膜切 割成130X 150毫米的尺寸。
6. 將該組合件放置在輸送板上(參見實施例1)，其MEA方向朝上。
7. 將整個組合件插入加熱的壓板壓機(PHI型號Q230H)中保持約10秒，上壓 板加熱至180°C，壓力為100 psi。
8. 該壓制周期結(jié)束后，取出部件使冷卻。除去聚酰亞胺覆片，露出外框MEA。
9. 將兩個氣體擴散層(SIGRACET 氣體擴散介質(zhì)25BC，從SGL Technologies GmbH. GDL獲得)模切為55X57毫米尺寸。10. 將有外框的MEA放置在125微米(0. 005英寸)厚的聚酰亞胺片上，MEA朝 上。其中一個GDL片在MEA上對齊，使得GDL完全覆蓋MEA。 &該層疊物上放置第 二個125微米(0. 005英寸)厚的聚酰亞胺片。
11. 將組合件放置在輸送板上(參見實施例l)并插入加熱的壓板壓機中保持約 5秒。上壓板加熱至180。C，閉合壓力為IOO psi。該壓制周期結(jié)束后，取出組合 件使其冷卻。
12. 冷卻后，除去下覆片，將第二GDL片對齊覆蓋在相反表面上的MEA。該組 合件上覆蓋125微米(O. 005英寸)厚的聚酰亞胺片，并置于輸送板上(參見實施例 l)用于插入加熱的壓板壓機。
13. 壓制周期約10秒，壓板溫度約為180。C，壓力為IOO psi。
14. 該周期結(jié)束后，從壓機取出該層疊物使空氣冷卻。
15. 冷卻后，除去覆片，露出部件。
制成的膜電極組合件具有結(jié)合的氣體擴散層，組合件的邊緣被結(jié)構(gòu)膜層負載。 雖然結(jié)合一些優(yōu)選的實施方式描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明的范圍不受其限制。 本發(fā)明的范圍而是由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1. 一種組合件，包括a. 具有相反的面的固體聚合物電解質(zhì)膜；b. 包含催化劑的電極，該電極覆蓋所述固體聚合物電解質(zhì)膜的至少一個所述面，并與所述聚合物電解質(zhì)膜共同延伸，形成具有多個面的完全催化的膜組合件；和c. 結(jié)構(gòu)膜層，結(jié)合在所述完全催化的膜組合件的至少兩個相反的面上，所述結(jié)構(gòu)膜層與所述電極至少部分重疊。
2. 如權(quán)利要求1所述的組合件，其特征在于，有的面結(jié)合。
3. 如權(quán)利要求1所述的組合件，其特征在于， 置，將結(jié)構(gòu)薄膜與所述完全催化的膜組合件結(jié)合。
4. 如權(quán)利要求3所述的組合件，其特征在于， 述電極的至少一部分中的所述結(jié)構(gòu)膜層。
5. 如權(quán)利要求3所述的組合件，其特征在于，
6. 如權(quán)利要求5所述的組合件，其特征在于， 部的至少一部分。
7. 如權(quán)利要求6所述的組合件，其特征在于，全氟磺酸離聚物。
8. 如權(quán)利要求7所述的組合件，其特征在于，發(fā)泡聚四氟乙烯。
9. 如權(quán)利要求8所述的組合件，其特征在于， 乙二酯。
10. 如權(quán)利要求9所述的組合件，其特征在于，所述粘合劑包括含四氟乙烯的 含氟熱塑性材料。
11. 如權(quán)利要求5所述的組合件，其特征在于，所述組合件包括至少一層氣體 擴散層。
12. 如權(quán)利要求11所述的組合件，其特征在于，所述組合件還包括密封墊圈。
13. 如權(quán)利要求1所述的組合件，其特征在于，所述電極是陽極，所述結(jié)構(gòu)膜 層與所述陽極重疊。，所述結(jié)構(gòu)膜層與所述電極的所，所述組合件還包括氣體密封裝,所述氣體密封裝置包括吸入所所述氣體密封裝置包括粘合劑。 ,所述粘合劑吸入所述電極的外，所述固體聚合物電解質(zhì)包括，所述固體聚合物電解質(zhì)還包括,所述結(jié)構(gòu)膜層包括聚萘二甲酸
14. 如權(quán)利要求1所述的組合件，其特征在于，所述電極是陽極，所述 結(jié)構(gòu)膜層與所述陰極重疊。
15. 如權(quán)利要求1所述的組合件，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)膜層延伸超出所述完 全催化的膜組合件的邊緣。
16. —種涂覆催化劑的膜組合件，包括a. 具有兩面的固體聚合物電解質(zhì)膜；b. 基本覆蓋所述聚合物電解質(zhì)膜的整個第一個面的第一電極； C.基本覆蓋所述聚合物電解質(zhì)膜的整個第二個面的第二電極；d. 附著于所述第一電極的至少兩個相反外部區(qū)域的第一結(jié)構(gòu)膜層，使得結(jié)構(gòu) 膜層與其附著的所述電極的開放面部分重疊；和e. 附著于(i)或/和(ii)的第二結(jié)構(gòu)膜層，(i)所述第二電極的至少兩個相反的 外部區(qū)域，使得第二結(jié)構(gòu)膜層與其附著的電極的開放面至少部分重疊；(ii)所述第一結(jié)構(gòu)膜層。
17. 如權(quán)利要求16所述的涂覆催化劑的膜，其特征在于，所述第一結(jié)構(gòu)膜層 或/和第二結(jié)構(gòu)膜層與所述電極的整個外部區(qū)域重疊。
18. 如權(quán)利要求16所述的涂覆催化劑的膜，其特征在于，所述第一結(jié)構(gòu)膜層 和第二結(jié)構(gòu)膜層中至少一層通過粘合劑附著于所述第一電極或第二電極。
19. 如權(quán)利要求16所述的涂覆催化劑的膜，其特征在于，所述第一結(jié)構(gòu)膜層 或者所述第二結(jié)構(gòu)膜層吸入其附著的所述第一電極或第二電極的所述外部區(qū)域的 至少一部分。
20. 如權(quán)利要求17所述的涂覆催化劑的膜，其特征在于，所述第一結(jié)構(gòu)膜層或第二結(jié)構(gòu)膜層通過粘合劑附著于所述第一電極或第二電極。
21. 如權(quán)利要求20所述的涂覆催化劑的膜，其特征在于，所述粘合劑吸入所述第一電極或第二電極的所述外部區(qū)域的至少一部分。
22. 如權(quán)利要求21所述的涂覆催化劑的膜，其特征在于，所述固體聚合物電 解質(zhì)包括全氟磺酸離聚物。
23. 如權(quán)利要求22所述的涂覆催化劑的膜，其特征在于，所述固體聚合物電解質(zhì)還包括發(fā)泡聚四氟乙烯。
24. 如權(quán)利要求23所述的涂覆催化劑的膜，其特征在于，所述第一結(jié)構(gòu)膜層 或/和第二結(jié)構(gòu)膜層包括聚萘二甲酸乙二酯。
25. 如權(quán)利要求24所述的涂覆催化劑的膜，其特征在于，所述粘合劑包括 含四氟乙烯的含氟熱塑性材料。
26. —種使用權(quán)利要求20所述的涂覆催化劑的膜的組合件，其特征在于，該組合件包括至少一層氣體擴散層。
27. 如權(quán)利要求26所述的組合件，其特征在于，所述組合件還包括密封墊圈。
28. —種制備組合件的方法，該方法包括a. 提供完全催化的膜組合件，該組合件包括固體聚合物電解質(zhì)膜，和附著 于所述固體聚合物電解質(zhì)膜的至少一個電極，該電極具有開放面和外部區(qū)域；b. 將結(jié)構(gòu)膜層附著于所述電極的至少兩個相反的外部區(qū)域，使得所述 結(jié)構(gòu)膜層與所述電極的開放面部分重疊。
29. 如權(quán)利要求28所述的制備組合件的方法，其特征在于，，附著結(jié)構(gòu)膜層的 步驟(b)包括使用粘合劑。
30. 如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述粘合劑是熱塑性聚合物。
31. 如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述粘合劑包括含四氟乙烯的 含氟熱塑性材料。
32. 如權(quán)利要求28所述的制備組合件的方法，其特征在于，所述方法還包括 步驟(c)在至少一個所述電極上施用氣體擴散層。
33. 如權(quán)利要求28所述的制備組合件的方法，其特征在于，所述方法還包括 步驟(c)在所述結(jié)構(gòu)膜層上施用密封墊圈。
34. 如權(quán)利要求32所述的制備組合件的方法，其特征在于，所述方法還包括' 步驟(d)在所述結(jié)構(gòu)膜層上施用密封墊圈。
35. —種燃料電池，包括權(quán)利要求l所述的組合件。
36. —種燃料電池，包括權(quán)利要求15所述的涂覆催化劑的膜。
全文摘要
提供涂覆催化劑的膜組合件，該組合件包括固體聚合物電解質(zhì)膜，基本覆蓋所述固體聚合物電解質(zhì)膜的一個整體面的電極，附著于所述電極的至少兩個相對的外部區(qū)域的結(jié)構(gòu)膜層，使得結(jié)構(gòu)膜層與所述電極的開放面部分重疊。使用該結(jié)構(gòu)膜層能夠以高體積、高產(chǎn)率制造組合件，因此降低組合件的成本。
文檔編號H01M8/10GK101536238SQ200780042702
公開日2009年9月16日 申請日期2007年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月16日
發(fā)明者A·基勒, O·特勒, P·希拉馬 申請人:戈爾企業(yè)控股股份有限公司;W.L.戈爾有限公司