制备膜电极组件的方法
【专利摘要】一种制备膜电极组件的方法，所述方法包括如下步骤：提供催化剂涂覆的膜幅材；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；模切气体扩散层材料的第一幅材和第二幅材，用以制备第一气体扩散层和第二气体扩散层；将所述第一气体扩散层和第二气体扩散层送入与所述催化剂涂覆的膜幅材相邻的层合辊隙中；以及层合所述第一气体扩散层、催化剂涂覆的膜幅材和第二气体扩散层，以形成层合物。
【专利说明】制备膜电极组件的方法
[0001] 本申请是申请日为2006年12月29日、申请号为200680050086. 2 (国际申请号为 PCT/US2006/049658)、发明名称为"制备膜电极组件的方法"的发明专利申请的分案申请。
[0002] 相关专利申请的夺叉引用
[0003] 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】
[0004] 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】
[0005] 据称美国6, 197, 147B1公开了制备层合物的方法。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 在本专利申请中：
[0009] "层合"是指将两个或更多个薄片材料粘合在一起；以及
[0010] "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
[0011] "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)。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 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】
[0013] 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⑶L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⑶L材料片或卷（更通常为卷）上模切出⑶L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。
[0014] 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⑶L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⑶L片中心与CCM中心相同。
[0015] 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⑶L片，四边形AB⑶表示 CCM的催化剂区域。结合附图，已经发现下列参数可使⑶L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。
[0016] 参数1 :⑶L片的顶部边缘EF与CCM催化剂区域的顶部边缘AB保持平行。
[0017] 参数2 :⑶L片的底部边缘GH与CCM催化剂区域的底部边缘⑶保持平行。
[0018] 参数3 :GDL片的侧边EG与CCM催化剂区域的侧边AC保持平行。
[0019] 参数4 :GDL片的侧边与CCM催化剂区域的侧边BD保持平行。
[0020] 参数5 :顶部和底部的突出部分保持相等，S卩，XI = X2。
[0021] 参数6 :侧边的突出部分保持相等，即，Y1 = Y2。
[0022] 参数7 :所有突出部分保持相等，S卩，XI = X2 = Y1 = Y2。
[0023] 已经发现的是⑶L对CCM的物理粘附性正好与⑶L的突出部分成正比。
[0024] 在不脱离本发明范围和原理的前提下，本发明的各种修改和更改对本领域内的技 术人员将显而易见，并且应当理解，上文提出的示例性实施例并非是对本发明的不适当限 制。
【权利要求】
1. 一种制备五层膜电极组件的方法，包括以下步骤： a) 提供催化剂涂覆的膜幅材，所述膜幅材包括： 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，以使得相邻的 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，以使得相邻的 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与所述催化剂涂覆的膜幅材相邻的所述层合辊隙中； 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、所述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，其中所述第一和第二气体扩散层直接层合至所述催化剂涂覆的膜幅材的裸露膜 区域， 其中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。
2. 根据权利要求1所述的方法，另外包括以下步骤： 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。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中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。
【文档编号】H01M4/88GK104103839SQ201410273181
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2006年12月29日 优先权日:2005年12月29日
【发明者】戴维·R·梅卡拉 申请人:3M创新有限公司