用于分离燃料电池的膜电极组件的电极的方法及其装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于分离燃料电池的膜电极组件的电极的方法及其装置。特别是 通过包括冻结去离子水表面上的电极样品的所述分离方法，所述电极可以从涂覆有该电极 的贴花转印薄膜分离，没有任何明显损坏。这样，通过从所述贴花转印薄膜而不是从膜电极 组件（MEA :membrane electrode assembly)分离所述电极，当所述电极本身从MEA分离时， 昂贵的MEA可以不被破坏和浪费。此外，所述电极的机械特性可以提前快速量化，因此，可 以大幅减少在形成改善耐久性的MEA期间进行的长期耐久性评估期。
【背景技术】
[0002] 通常，聚合物电解质膜燃料电池 （PEMFC :polymer electrolyte membrane fuel cell)已被广泛地用作车辆的燃料电池。当由层叠几百个所述PEMFC的单元电池制造的电 池堆装载在车辆上时，所述燃料电池的单元电池应该稳定地运行在宽电流密度范围内，以 便在所述车辆的各种工作条件下，所述堆叠通常表现出至少几十kW的高功率性能。
[0003] 在用于发电的燃料电池的反应机理中，当氢被离解成氢离子（质子）和电子之后， 所述氢供给到阳极作为在所述燃料电池的膜电极组件（MEA)中的氧化电极，所述氢离子通 过膜传递到阴极作为还原电极，并且所述电子通过外部电路传递到阴极。在阴极处，当氢离 子和电子与氧分子一起反应时，电和热产生，同时产生水作为反应的副产物。当在电化学反 应期间产生的水的适当量存在于燃料电池时，合适地保持所述MEA的湿度。然而，当产生过 量水并没有适当地除去时，"泛滥（flood) "现象发生，特别是在高电流密度处，并且泛滥的 水阻止了所述反应气体被高效地供给到燃料电池的电池，从而导致电压损失。
[0004] 如上所述，因为水产于PEMFC中通过氢与空气中氧的电化学反应，当从零下温度 到室温或更高温度的范围内重复冷冻和解冻循环时，电化学性能和耐久性可能由于电池部 件如MEA和气体扩散层以及在燃料电池部件之间的界面上的物理损伤而降低。因此，在所 述MEA中的电极的坚固性是很重要的，以便增加燃料电池中的冷冻/解冻耐久性。特别是 在冻融循环（freezing and thawing cycle)中，即使在MEA中冰形成和生长的条件下，电 极也不应变形或断裂，并且电极需要很好地连接到所述MEA的膜上，并在同时，电极催化剂 需要很好地结合在一起。
[0005] 同时，燃料电池也需要通过使用外部加湿器加湿在MEA中的所述膜以提供水到其 中。另外，除湿或干涸（dry-out)反复出现，因为电池通常在约60°C或更高的高温下操作， 并且由电化学反应本身产生热量，因此，重复所述MEA的干-湿循环。在这种干湿循环条件 下，起皱变形可能在MEA中产生。因此，附着到所述膜的电极的坚固性以及所述膜的坚固性 对良好地保持所述MEA对燃料电池的耐久性是很重要的。
[0006] 然而，MEA的冷冻和解冻的耐久性或干-湿循环耐久性对于燃料电池是重要的，一 般需要至少数月的评估期。因此，用于开发和商业化具有改进耐久性的MEA的结构性因素 在短期内可能无法被推断出来。
[0007] 因此，有必要量化所述电极本身的机械特性，这与失水MEA的长期耐久性密切相 关。但是，由于所述电极本身尽管通过较小外部应力或冲击也很容易损坏或变形，尚未成功 地进行未经所述损坏或变形仅仅分离所述电极。通常，对于MEA的电极可通过在贴花转印 薄膜上涂布催化剂墨（catalyst ink)来制造。所述催化剂墨通常可通过混合承载在碳上 的的铂催化剂（Pt/C)和离子交联聚合物（ionomer)粘合剂与主要由异丙醇和去离子水组 成的溶剂混合物来制备，然后在贴花转印薄膜上涂覆，随后干燥它们来制造电极。
[0008] 在相关技术中，已通过使用双悬臂梁（DCB :Double Cantilever Beam)方法试图测 量所述电极被附着到所述MEA时的机械特性。然而，这种方法可能是不利的，因为所述电极 的独特性能可能因高温（例如，约l〇〇°C或更高）和将贴花转印薄膜上的所述电极转移到膜 上时施加的物理压力而变形。此外，昂贵的MEA可能因经受断裂试验而被使用和浪费。因 此，当所述电极的机械特性被量化为从所述贴花转印薄膜上分离，而不是从最终的MEA产 品中检测时，可以很容易地理解所述电极的独特性能，昂贵的MEA可以不被断裂测试浪费， 并且通过在实际测试所述MEA样品的长期耐久性之前，提前筛选所述MEA样品的缺陷电极， 可以提高强大的MEA的开发过程的效率。
[0009] 然而，到目前为止，尚未报道这种方法，以通过从涂敷有电极的贴花转印薄膜中分 离原始电极，在转移所述电极到膜上之前，量化所述电极的机械特性。
[0010] 作为用于分离多种材料的堆叠构件的常规方法，已提出多种冷却方法，例如，通过 喷射固体颗粒如接合层之间的冰的分离方法、使用由注入到在基片和晶体薄层之间的微孔 的液体冻结引起的膨胀来分离在基片上生长的所述晶体薄层的分离方法、通过在半导体基 片、分离层和半导体层的结构中利用冰冷却分离层以减少由于膨胀和收缩引起的应力导致 的分离层的力的分离方法、以及用于通过冷却至低于室温的温度来剥离组件的施主基片的 方法。
[0011] 然而，这些常规的层分离的方法可能会出现问题，使得在所述层分离过程中将被 分离的对象可能被损坏，或者所述层可能未完全分离。因此，这些方法不能用于为燃料电池 MEA分离所述原始电极，特别是，不能用于完全分离用于对由于在分离过程中的破坏导致的 机械特性的量化的燃料电池 MEA的原始电极。
[0012] 以上提供的作为本发明的相关技术的描述仅仅是为帮助理解本发明的【背景技术】， 并不应被解释为包含在本领域技术人员已知的相关技术中。
【发明内容】
[0013] 因此，本发明致力于解决与相关技术相关联的上述问题。
[0014] 在优选方面，本发明提供一种分离电极的新方法，使得通过在实际测试所述MEA 样品的长期耐久性之前，筛选对MEA样品有缺陷的电极，可以容易理解所述电极的独特性 能，昂贵的MEA可以不通过断裂试验而浪费，并且可以增加开发稳固的MEA的效率。例如， 所述电极的机械特性可以通过在将所述燃料电池 MEA的电极转移到膜上之前，从涂敷有电 极的贴花转印薄膜分离所述原始电极（pristine electrode)来进行量化。
[0015] -方面，本发明提供一种方法，所述方法用于在转移所述电极到所述膜上之前，从 在涂敷有电极的所述电极转移膜上轻易分离电极，而没有明显损坏。因此，可以方便和快速 地量化用于燃料电池 MEA的电极的机械特性。
[0016] 另一方面，本发明提供一种用于从涂敷有电极的贴花转印薄膜（decal transfer film)分离电极的装置。
[0017] 在示例性实施方式中，提供一种用于从燃料电池的膜电极组件（MEA)的贴花转印 薄膜中分离电极的方法，所述方法包括以下步骤：通过在贴花转印薄膜上涂覆电极，制备电 极样品；通过使所述电极侧漂浮在去离子水的表面上，浸泡所述电极样品；在所述电极样 品浸泡在去离子水的表面上的状态下，冷冻所述去离子水；从粘附在冷冻的去离子水上的 所述电极样品去除所述贴花转印薄膜；以及通过解冻所述冷冻的去离子水，仅分离所述电 极。
[0018] 还提供一种用于从燃料电池的膜电极组件（MEA)的贴花转印薄膜中分离电极的 装置，所述装置包括：通过在贴花转印薄膜上涂覆电极形成的电极样品；包含去离子水的 样品测试仪；在所述电极样品浸泡在去离子水的表面上的状态下，用于冷冻所述去离子水 的冷冻装置；以及通过加热冷冻的去离子水来解冻所述冷冻的去离子水的解冻装置。
[0019] 本发明的其它方面在下文中公开。
【附图说明】
[0020] 本发明的上述及其它特征将参照相应的【附图说明】的示例性实施方式详细描述，所 述附图在本文下述仅以举例说明的方式给出，且因此不限制本发明，并且其中：
[0021] 图1示出从用于燃料电池 MEA的贴花转印薄膜上分离电极的根据本发明的示例性 实施方式的示例性装置；
[0022] 图2示出一种根据本发明的示例性实施方式通过直接将电极附着到去离子水表 面，接着通过冷冻其（E0WS:Electrode On Water Surface;水面上的电极）来分离电极的 根据本发明示例性实施方式的示例性方法的示例性分离结果，并且示图示出E0WS的剖面 结构；
[0023] 图3示出根据比较例的通过直接将贴花转印薄膜附着到去离子水的表面上，接着 冷冻其（FOWS :film on water surface ;水面上的薄膜）来分离电极时的分离结果，并示意 性地图示F0WS的剖面结构；
[0024] 图4示出通过使用来自比较例的（a) -般自来水和（b)盐水，以及（c)根据本发 明示例性实施方式的去离子水的电极的分离结果的比较图；
[0025] 图5示出根据本发明的示例性实施方式通过煮沸（boiling)去离子水除去气泡之 后的电极分离的比较图，其中（a)和（b)分别表示具有约0.2和约0.4mg-Pt/cm2的铂催化 剂承载（platnium catalyst loadings)的电极的情况；
[0026] 图6示出根据本发明示例性实施方式的电极的分离，其中（a)是使用在煮沸和冷 却去离子水以除去气泡之后的去离子水的情况的例子，以及（b)是使用没有去除气泡的收 货状态（as-received)的去离子水的情况的例子；
[0027] 图7示出根据比较例的未通过手分离的电极；和
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