[发明专利]制备膜电极组件的方法

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2005年12月29日提交的美国临时专利申请号60/743084的优先权，该专利的公开内容全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及将气体扩散层(GDL)附着在催化剂涂覆的膜(CCM)上，用以制备五层膜电极组件(MEA)(例如燃料电池中使用的MEA)的方法。

背景技术

据称美国6,197,147 B1公开了制备层合物的方法。

美国2003/0191021 A1公开了涉及生产膜电极组件的层合装置和方法。

发明内容

简而言之，本发明提供制备五层膜电极组件的方法，该方法包括如下步骤：a)提供催化剂涂覆的膜幅材，其包括：1)具有第一面和第二面的聚合物电解质膜；2)多个层合在所述膜的所述第一面上的第一组成图案的催化剂层片段，以使得邻近的组成图案的催化剂层片段不相互接触；以及3)多个层合在所述膜的所述第二面上的第二组成图案的催化剂层片段，以使得邻近的组成图案的催化剂层片段不相互接触；b)提供层合位置，其中所述催化剂涂覆的膜幅材在形成层合辊隙的层合辊对之间拖曳；c)模切第一气体扩散层材料的第一幅材以制备第一气体扩散层；d)模切第二气体扩散层材料的第二幅材以制备第二气体扩散层；e)将所述第一气体扩散层传送至所述层合位置；f)将所述第二气体扩散层传送至所述层合位置；g)将所述第一气体扩散层送入相邻所述催化剂涂覆的膜幅材的所述层合辊隙中；h)在送入所述第一气体扩散层的同时，将所述第二气体扩散层送入与所述催化剂涂覆的膜幅材相邻的所述层合辊隙中；以及i)层合所述第一气体扩散层、催化剂涂覆的膜幅材和所述第二气体扩散层，以形成层合物。该方法可以另外包括如下步骤：j)重复步骤a)-i)，以形成包含多个五层膜电极组件的连续幅材。通常，所述第一气体扩散层具有大于所述第一组成图案的催化剂层片段的面积。通常，所述第二气体扩散层具有大于所述第二组成图案的催化剂层片段的面积。

在本专利申请中：

“层合”是指将两个或更多个薄片材料粘合在一起；以及

“五层膜电极组件”是指包含至少五层的构造，包括气体扩散层、催化剂层、聚合物电解质膜层、另一催化剂层和另一气体扩散层；以及

“气体扩散层”(GDL)可以包含先前定义的如下层：“扩散片/集电器层”(DCC)、“流体传输层”(FTL)或“电极背衬层”(EBL)。

附图说明

附图为示意性俯视图，其示出了在辊压粘合前，气体扩散层(EFGH)和催化剂涂覆的膜的催化剂区域(ABCD)的布置，这将在本文中进一步描述。

具体实施方式

本发明涉及将气体扩散层(GDL)附着至催化剂涂覆膜(CCM)上，用以制备膜电极组件(MEA)(例如燃料电池中使用的MEA)的方法。本发明的方法包括将GDL辊压粘合在CCM上，并且通常同时将两片GDL辊压粘合在CCM上，一面一片。此外，该方法可以包括在辊压粘合前，在CCM片顶部的特定位置覆盖GDL片角的步骤。此外，该方法可以包括预先步骤：将GDL片从模切位置传送至辊压粘合位置，通常使用真空传送带以保持配准。此外，该方法可以包括预先步骤：从GDL材料片或卷(更通常为卷)上模切出GDL片。本发明的方法可以使用例如美国2003/0191021 A1中公开的设备来实施。本发明的方法可以使用例如美国2003/0191021 A1中公开的方法细节来实施。

在一些实施例中，可以使用传感器(例如激光传感器)来定位GDL片相对于CCM片及相互之间的位置。CCM幅材和送入一个或两个GDL的传送装置的相对速度可相对互相调整，以使得在CCM幅材两面的GDL片中心与CCM中心相同。

在本发明的一个实施例中，CCM包括催化剂区域和非催化剂区域，其中催化剂区域中的膜具有催化剂涂层，非催化剂区域中膜是裸露的。已经发现的是GDL对裸露膜区域的粘附优于对CCM催化剂区域的粘附。结合附图，四边形EFGH表示GDL片，四边形ABCD表示CCM的催化剂区域。结合附图，已经发现下列参数可使GDL片与CCM片之间的物理粘附性最大化，从而导致燃料电池中MEA的性能得到改善。在本发明的多个实施例中，通常可在制备过程中连续控制以下参数中的一个或多个。

参数1：GDL片的顶部边缘EF与CCM催化剂区域的顶部边缘AB保持平行。

参数2：GDL片的底部边缘GH与CCM催化剂区域的底部边缘CD保持平行。