專(zhuān)利名稱(chēng)：用于改進(jìn)的膜電極組件耐久性的受控電極重疊結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及燃料電池，特別是，本發(fā)明涉及新的改進(jìn)的顯示出增強(qiáng)的耐久性的膜電極組件。
背景技術(shù)：
在許多應(yīng)用中已采用燃料電池作為電源。例如，已經(jīng)提議將燃料電池用于電動(dòng)車(chē)輛動(dòng)力設(shè)備從而替代內(nèi)燃機(jī)。在質(zhì)子交換膜(PEM)型燃料電池中，向燃料電池的陽(yáng)極提供氫氣，同時(shí)向陰極提供作為氧化劑的氧氣。PEM燃料電池包括膜電極組件(MEA)，所述膜電極組件中包含薄的，質(zhì)子可傳送的，不導(dǎo)電的固體聚合物電解質(zhì)膜，該膜具有位于一面的陽(yáng)極催化劑以及位于相對(duì)面的陰極催化劑。MEA被夾在一對(duì)導(dǎo)電元件之間，該導(dǎo)電元件有時(shí)也被稱(chēng)作氣體擴(kuò)散介質(zhì)部件，所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)部件(1)作為陽(yáng)極和陰極的集電器；(2)包含適當(dāng)?shù)拈_(kāi)口，用于在各自的陽(yáng)極和陰極催化劑的表面上分配燃料電池的氣態(tài)反應(yīng)劑；(3)從電極上移除產(chǎn)物水蒸氣或液態(tài)水到流場(chǎng)通道；(4)對(duì)于廢熱排放進(jìn)行熱傳導(dǎo)；以及(5)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。根據(jù)上下文的理解，術(shù)語(yǔ)燃料電池一般是指單個(gè)電池或多個(gè)電池(例如，電池堆)。多個(gè)單電池通常被組裝一起以形成燃料電池堆且通常串聯(lián)布置。堆內(nèi)的每個(gè)電池包括前面描述的MEA，以及每個(gè)這樣的MEA提供其電壓增量。
在PEM燃料電池中，氫氣(H2)是陽(yáng)極反應(yīng)劑(即，燃料)，同時(shí)氧氣是陰極反應(yīng)劑(即，氧化劑)。氧氣可以是純氧(O2)，也可以是空氣(O2和N2的混合物)。固體聚合物電解質(zhì)一般由離子交換樹(shù)脂形成，例如全氟磺酸。陽(yáng)極/陰極一般包括極細(xì)的催化顆粒，所述催化顆粒經(jīng)常被擔(dān)載在碳顆粒上，且與質(zhì)子傳導(dǎo)樹(shù)脂相混合。該催化顆粒一般是昂貴的貴金屬顆粒。這些膜電極組件制造起來(lái)相對(duì)昂貴且需要某些條件，其中就包括適當(dāng)?shù)乃芾砗图訚?，以及諸如一氧化碳(CO)之類(lèi)的催化劑污損組分形成的控制，為了有效操作。
可以參考以下文獻(xiàn)來(lái)查找涉及PEM以及其它相關(guān)類(lèi)型的燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)例Witherspoon等的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專(zhuān)利3,985,578；Swathirajan等的5,272,017；Li等的5,624,769；Neutzler等的5,776,624；DiPierno Bosco等的6,103,409；Swathirajan等的6,277,513；Woods，III等的6,350,539；Fronk等的6,372,376；Mathias等的6,376,111；Vyas等的6,521,381；Sompalli等的6,524,736；Senner等的6,528,191；Fly等的6,566,004；Forte等的6,630,260；Fly等的6,663,994；Senner等的6,740,433；Nelson等的6,777,120；Brady等的6,793,544；Rapaport等的6,794,068；Blunk等的6,811,918；Mathias等的6,824,909；Senner等的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2004/0229087；O’Hara等的2005/0026012；O’Hara等的2005/0026018；以及O’Hara等的2005/0026523，上述所有申請(qǐng)?jiān)诖俗鳛閰⒖级徽w引用。
圖1和2示出了典型的通常邊緣區(qū)域不足的非受控的重疊邊緣結(jié)構(gòu)，例如，在該結(jié)構(gòu)中陽(yáng)極催化劑層12的邊緣部分10鄰接緊靠子密封墊層16的邊緣部分14以及粘合層20的邊緣部分18，和/或在該結(jié)構(gòu)中陰極催化劑層24的邊緣部分22鄰接緊靠另一子密封墊層28的邊緣部分26以及另一粘合層32的邊緣部分30。應(yīng)注意到，陽(yáng)極催化劑層12和陰極催化劑層24以重疊的、交錯(cuò)的或偏移的結(jié)構(gòu)形式將膜層34夾在中間，如圖1和2所示。
通常由于在對(duì)膜應(yīng)用陽(yáng)極和陰極子密封墊期間以及電極轉(zhuǎn)壓傳輸工藝期間存在制造公差，該非受控的重疊結(jié)構(gòu)在一些MEA邊緣位置處產(chǎn)生了陽(yáng)極＞陰極的結(jié)構(gòu)以及在一些其它MEA邊緣位置處產(chǎn)生了陰極＞陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)。這些特殊設(shè)計(jì)的局限性包括位于各自的催化劑層的邊緣和各自子密封墊的邊緣之間的潛在間隙G，如圖3和4所示。間隙允許例如O2或H2的氣體直接進(jìn)入到膜表面，從而增強(qiáng)來(lái)自交換氣體的*OH和*HO2自由基物質(zhì)的形成，因此導(dǎo)致聚合物膜局部的加速化學(xué)劣化。如果電極大于由子密封墊形成的窗口，那么在對(duì)膜施加催化劑的操作期間(一般地已知為轉(zhuǎn)壓傳輸)，催化劑層可以在子密封墊的邊緣之上形成“帳篷”T，如圖5和6所示。這種隆起一般導(dǎo)致子密封墊邊緣的催化劑破裂以及后來(lái)的氣體直接進(jìn)入膜表面以及加速的局部化學(xué)退化。此外，隆起現(xiàn)象一般地導(dǎo)致膜表面的一些長(zhǎng)度，它的長(zhǎng)度與子密封墊的厚度大小相似，催化劑不附著到膜表面上。
已經(jīng)作出多種嘗試來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題。例如，一些制造商利用熱壓連接子密封墊與離聚物膜。技術(shù)中除了需要加熱和加壓之外，另一個(gè)缺陷是催化劑層在子密封墊之后添加。這防止子密封墊被連接在催化劑層上面。通過(guò)這種方法，可以在催化劑下面連接子密封墊，但是這樣將會(huì)導(dǎo)致在子密封墊邊緣催化劑破裂和分層。這種破裂導(dǎo)致在子密封墊邊緣處形成模糊的催化劑邊緣。為了使陽(yáng)極和陰極催化劑邊緣偏移，這種方法需要附加空間來(lái)解決由破裂引起的催化劑邊緣的不確定性。另外，這種方法會(huì)留出催化劑和子密封墊邊緣之間的暴露的離聚物膜的間隙。
其它一些嘗試?yán)昧艘环N將子密封墊放置在膜頂部的方法。接著這三層結(jié)構(gòu)被夾在兩塊涂覆催化劑的擴(kuò)散介質(zhì)之間。整個(gè)組件接著通過(guò)離聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)被熱壓從而形成MEA。雖然這種方法還算加強(qiáng)了控制催化劑邊緣方面，它還是具有許多缺點(diǎn)。第一，實(shí)現(xiàn)結(jié)合所需的熱量和壓力可能會(huì)引起離聚物膜產(chǎn)生流動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致子密封墊下面變薄。第二，加熱/冷卻循環(huán)會(huì)在部件中誘發(fā)出熱應(yīng)力。接著子密封墊邊緣處可能會(huì)失效。第三，由于整個(gè)MEA，為了包含氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM)，在一個(gè)熱壓步驟中被組裝在一起，因此以后很難檢查催化劑邊緣的位置。
因此，存在一種對(duì)新的改進(jìn)的MEA結(jié)構(gòu)的需求，其中接近子密封墊和涂覆催化劑的膜層的邊緣結(jié)構(gòu)提供了增強(qiáng)的膜耐久性。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一般教導(dǎo)，提供一種適用于改進(jìn)的膜耐久性的新的改進(jìn)的MEA邊緣設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種膜電極組件，所述膜電極組件包括(1)膜層；(2)與膜層表面相鄰的陰極催化劑層；(3)與膜層的另一表面相鄰的陽(yáng)極催化劑層，其中膜層被布置在陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層之間；(4)與膜的所述另一表面相鄰的粘合層，其中粘合層與陽(yáng)極催化劑層的表面相鄰接；以及(5)具有邊緣部分的子密封墊層，其中子密封墊層與粘合層的表面相鄰，其中粘合層被布置在子密封墊層和膜層之間，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陰極催化劑層比陽(yáng)極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
根據(jù)本發(fā)明的第一可選實(shí)施例，提供一種膜電極組件，所述膜電極組件包括(1)膜層；(2)與膜層表面相鄰的陰極催化劑層；(3)與膜層的另一表面相鄰的陽(yáng)極催化劑層，其中膜層被布置在陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層之間；(4)與膜的所述另一表面相鄰的粘合層，其中粘合層與陽(yáng)極催化劑層的表面相鄰接；以及(5)具有邊緣部分的子密封墊層，其中子密封墊層與粘合層的表面相鄰，其中粘合層被布置在子密封墊層和膜層之間，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陽(yáng)極催化劑層比陰極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
根據(jù)本發(fā)明的第二可選實(shí)施例，提供一種膜電極組件，所述膜電極組件包括(1)膜層；(2)與膜層表面相鄰的陽(yáng)極催化劑層；(3)與膜層的另一表面相鄰的陰極催化劑層，其中膜層被布置在陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層之間；(4)與膜的所述另一表面相鄰的粘合層，其中粘合層與陰極催化劑層的表面相鄰接；以及(5)具有邊緣部分的子密封墊層，其中子密封墊層與粘合層的表面相鄰，其中粘合層被布置在子密封墊層和膜層之間，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陰極催化劑層比陽(yáng)極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
根據(jù)本發(fā)明的第三可選實(shí)施例，提供一種膜電極組件，所述膜電極組件包括(1)膜層；(2)與膜層表面相鄰的陽(yáng)極催化劑層；(3)與膜層的另一表面相鄰的陰極催化劑層，其中膜層被布置在陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層之間；(4)與膜的所述另一表面相鄰的粘合層，其中粘合層與陰極催化劑層的表面相鄰接；以及(5)具有邊緣部分的子密封墊層，其中子密封墊層與粘合層的表面相鄰，其中粘合層被布置在子密封墊層和膜層之間，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陽(yáng)極催化劑層比陰極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
本發(fā)明其它適用領(lǐng)域的范圍將通過(guò)以下給出的詳細(xì)描述來(lái)體現(xiàn)。應(yīng)理解的是，詳細(xì)描述和具體實(shí)例，盡管顯示的是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，僅是旨在說(shuō)明的目的且不意味著限定了本發(fā)明的范圍。


本發(fā)明將通過(guò)附圖及其詳細(xì)說(shuō)明得到充分理解，其中圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的第一傳統(tǒng)MEA的示意圖；
圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的第二傳統(tǒng)MEA的示意圖；圖3是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的第三傳統(tǒng)MEA的示意圖；圖4是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的第四傳統(tǒng)MEA的示意圖；圖5是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的圖1或3中示出的傳統(tǒng)MEA的示意圖，其中催化劑層已經(jīng)在子密封墊的上方隆起；圖6是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的圖2或4中示出的傳統(tǒng)MEA的示意圖，其中催化劑層已經(jīng)在子密封墊的上方隆起；圖7是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的具有比陽(yáng)極催化劑層區(qū)域局部更大的陰極催化劑層區(qū)域的MEA的示意圖，其中子密封墊重疊陽(yáng)極催化劑層且粘合層被布置在子密封墊和陽(yáng)極催化劑層之間；圖8是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的具有比陰極催化劑層區(qū)域局部更大的陽(yáng)極催化劑層區(qū)域的MEA的示意圖，其中子密封墊重疊陽(yáng)極催化劑層且粘合層被布置在子密封墊和陽(yáng)極催化劑層之間；圖9是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的具有比陽(yáng)極催化劑層區(qū)域局部更大的陰極催化劑層區(qū)域的MEA的示意圖，其中子密封墊重疊陰極催化劑層且粘合層被布置在子密封墊和陰極催化劑層之間；圖10是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的具有比陰極催化劑層區(qū)域局部更大的陽(yáng)極催化劑層區(qū)域的MEA的示意圖，其中子密封墊重疊陰極催化劑層且粘合層被布置在子密封墊和陰極催化劑層之間。
具體實(shí)施例方式
以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述本質(zhì)上僅是示例性的，并且絕不是旨在限定本發(fā)明，其應(yīng)用，或用途。
根據(jù)本發(fā)明的一般教導(dǎo)，MEA改進(jìn)的邊緣結(jié)構(gòu)包括涂覆有催化劑的膜，具有包括不能滲透的阻擋膜和粘合劑的子密封墊。該子密封墊可以應(yīng)用于或者陽(yáng)極催化劑側(cè)面，產(chǎn)生比陽(yáng)極電極區(qū)域更大的陰極電極區(qū)域，或者應(yīng)用于陰極催化劑側(cè)面，產(chǎn)生比陰極催化劑區(qū)域更大的陽(yáng)極催化劑區(qū)域，和/或應(yīng)用于陽(yáng)極電極區(qū)域以及陰極電極區(qū)域兩者，產(chǎn)生比陽(yáng)極/陰極催化劑區(qū)域更小和/或更大的陽(yáng)極/陰極催化劑區(qū)域。然而，應(yīng)注意的是可以配置陽(yáng)極和陰極使其本質(zhì)上關(guān)于另一個(gè)的邊緣部分的共終端(即，沒(méi)有或非常低的重疊度)，而不考慮使用了多少子密封墊。
參考圖7，圖中示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的具有比陽(yáng)極催化劑層區(qū)域局部更大的陰極催化劑層區(qū)域的MEA的示意圖，其中子密封墊重疊陽(yáng)極催化劑層且粘合層被布置在子密封墊和陽(yáng)極催化劑層之間。
更具體而言，該MEA，通常表示為100，主要包括膜層102，與膜層102的表面102a相鄰的陰極催化劑層104，與膜層102的另一個(gè)表面102b相鄰的陽(yáng)極催化劑層106，其中膜層102被布置在陰極催化劑層104和陽(yáng)極催化劑層106之間，與膜層102的另一表面102b相鄰的粘合層108，其中粘合層108與陽(yáng)極催化劑層106的表面106a相鄰接，和具有邊緣部分112的子密封墊層110，其中子密封墊層110與粘合層108的表面108a相鄰，其中粘合層108被布置在子密封墊層110和膜層102之間，其中相對(duì)于子密封墊層110的邊緣部分112，陰極催化劑層104和陽(yáng)極催化劑層106沿著膜層102的長(zhǎng)度延伸，其中相對(duì)于子密封墊層110的邊緣部分112，陰極催化劑層104比陽(yáng)極催化劑層106沿著膜層102的長(zhǎng)度延伸了更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。即，陰極催化劑層104和陽(yáng)極催化劑層106對(duì)于彼此處于重疊，交錯(cuò)或偏移定位。另外，當(dāng)從子密封墊層110的邊緣部分112測(cè)量到陰極催化劑層104的邊緣部分114時(shí)，陰極催化劑層104要長(zhǎng)于陽(yáng)極催化劑層106。即，當(dāng)從子密封墊層110的邊緣部分112測(cè)量到陰極催化劑層104的邊緣部分114時(shí)的陰極催化劑層104的長(zhǎng)度要長(zhǎng)于當(dāng)從子密封墊層110的邊緣部分112測(cè)量到陽(yáng)極催化劑層106的邊緣部分116時(shí)的陽(yáng)極催化劑層106的長(zhǎng)度。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，子密封墊層110的邊緣部分112與陰極催化劑層104的邊緣部分114之間的距離在大約0.1毫米到大約5毫米的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，子密封墊層110的邊緣部分112與陰極催化劑層104的邊緣部分114之間的距離在大約1.5毫米到大約2.5毫米的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，粘合層108的一部分滲入陽(yáng)極催化劑層106從而形成粘合劑滲透層118。粘合劑滲透層118被布置在陽(yáng)極催化劑層106和子密封墊層110之間。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，粘合劑滲透層118滲入陽(yáng)極催化劑層106上部大約10％的深度。
參照?qǐng)D8，圖中示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的具有比陰極催化劑層區(qū)域局部更大的陽(yáng)極催化劑層區(qū)域的MEA的示意圖，其中子密封墊重疊陽(yáng)極催化劑層且粘合層被布置在子密封墊和陽(yáng)極催化劑層之間。
更具體而言，該MEA，通常表示為200，主要包括膜層202，與膜層202的表面202a相鄰的陰極催化劑層204，與膜層202的另一個(gè)表面202b相鄰的陽(yáng)極催化劑層206，其中膜層202被布置在陰極催化劑層204和陽(yáng)極催化劑層206之間，與膜層202所述另一表面202b相鄰的粘合層208，其中粘合層208與陽(yáng)極催化劑層206的表面206a相鄰接，和具有邊緣部分212的子密封墊層210，其中子密封墊層210與粘合層208的表面208a相鄰，其中粘合層208被布置在子密封墊層210和膜層202之間，其中相對(duì)于子密封墊層210的邊緣部分212，陰極催化劑層204和陽(yáng)極催化劑層206沿著膜層202的長(zhǎng)度延伸，其中相對(duì)于子密封墊層210的邊緣部分212，陽(yáng)極催化劑層206比陰極催化劑層204沿著膜層202的長(zhǎng)度延伸了更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。即，陰極催化劑層204和陽(yáng)極催化劑層206對(duì)于彼此處于重疊，交錯(cuò)或偏移定位。另外，當(dāng)從子密封墊層210的邊緣部分212測(cè)量到陽(yáng)極催化劑層206的邊緣部分214時(shí)，陽(yáng)極催化劑層206要長(zhǎng)于陰極催化劑層204。即，當(dāng)從子密封墊層210的邊緣部分212測(cè)量到陽(yáng)極催化劑層206的邊緣部分214時(shí)的陽(yáng)極催化劑層206的長(zhǎng)度要長(zhǎng)于當(dāng)從子密封墊層210的邊緣部分212測(cè)量到陰極催化劑層204的邊緣部分216時(shí)的陰極催化劑層204的長(zhǎng)度。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，子密封墊層210的邊緣部分212與陽(yáng)極催化劑層206的邊緣部分214之間的距離在大約0.1毫米到大約5毫米的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，子密封墊層210的邊緣部分212與陽(yáng)極催化劑層206的邊緣部分214之間的距離在大約1.5毫米到大約2.5毫米的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，粘合層208的一部分滲入陽(yáng)極催化劑層206從而形成粘合滲透層218。粘合滲透層218被布置在陽(yáng)極催化劑層206和子密封墊層210之間。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，粘合滲透層218滲入陽(yáng)極催化劑層206上部大約10％的深度。
參照?qǐng)D9，圖中示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的具有比陽(yáng)極催化劑層區(qū)域局部更大的陰極催化劑層區(qū)域的MEA的示意圖，其中子密封墊重疊陰極催化劑層且粘合層被布置在子密封墊和陰極催化劑層之間。
更具體而言，該MEA，通常表示為300，主要包括膜層302，與膜層302的表面302a相鄰的陽(yáng)極催化劑層304，與膜層302的另一個(gè)表面302b相鄰的陰極催化劑層306，其中膜層302被布置在陽(yáng)極催化劑層304和陰極催化劑層306之間，與膜層302的所述另一表面302b相鄰的粘合層308，其中粘合層308與陰極催化劑層306的表面306a相鄰接，和具有邊緣部分312的子密封墊層310，其中子密封墊層310與粘合層308的表面308a相鄰，其中粘合層308被布置在子密封墊層310和膜層302之間，其中相對(duì)于子密封墊層310的邊緣部分312，陽(yáng)極催化劑層304和陰極催化劑層306沿著膜層302的長(zhǎng)度延伸，其中相對(duì)于子密封墊層310的邊緣部分312，陰極催化劑層306比陽(yáng)極催化劑層304沿著膜層302的長(zhǎng)度延伸了更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。即，陰極催化劑層306和陽(yáng)極催化劑層304對(duì)于彼此處于重疊，交錯(cuò)或偏移定位。另外，當(dāng)從子密封墊層310的邊緣部分312測(cè)量到陰極催化劑層306的邊緣部分314時(shí)，陰極催化劑層306要長(zhǎng)于陽(yáng)極催化劑層304。即，當(dāng)從子密封墊層310的邊緣部分312測(cè)量到陰極催化劑層306的邊緣部分314時(shí)的陰極催化劑層306的長(zhǎng)度要長(zhǎng)于當(dāng)從子密封墊層310的邊緣部分312測(cè)量到陽(yáng)極催化劑層304的邊緣部分316時(shí)的陽(yáng)極催化劑層304的長(zhǎng)度。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，子密封墊層310的邊緣部分312與陰極催化劑層306的邊緣部分314之間的距離在大約0.1毫米到大約5毫米的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，子密封墊層310的邊緣部分312與陰極催化劑層306的邊緣部分314之間的距離在大約1.5毫米到大約2.5毫米的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，粘合層308的一部分滲入陰極催化劑層306從而形成粘合滲透層318。粘合滲透層318被布置在陰極催化劑層306和子密封墊310之間。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，粘合滲透層318滲入陰極催化劑層306上部大約10％的深度。
參考圖10，圖中示出了根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的具有比陰極催化劑層區(qū)域局部更大的陽(yáng)極催化劑層區(qū)域的MEA的示意圖，其中子密封墊重疊陰極催化劑層且粘合層被布置在子密封墊和陰極催化劑層之間。
更具體而言，該MEA，通常表示為400，主要包括膜層402，與膜層402的表面402a相鄰的陽(yáng)極催化劑層404，與膜層402的另一個(gè)表面402b相鄰的陰極催化劑層406，其中膜層402被布置在陽(yáng)極催化劑層404和陰極催化劑層406之間，與膜層402的所述另一表面402b相鄰的粘合層408，其中粘合層408與陰極催化劑層406的表面406a相鄰接，和具有邊緣部分412的子密封墊層410，其中子密封墊層410與粘合層408的表面408a相鄰，其中粘合層408被布置在子密封墊層410和膜層402之間，其中相對(duì)于子密封墊層410的邊緣部分412，陽(yáng)極催化劑層404和陰極催化劑層406沿著膜層402的長(zhǎng)度延伸，其中相對(duì)于子密封墊層410的邊緣部分412，陽(yáng)極催化劑層404比陰極催化劑層406沿著膜層402的長(zhǎng)度延伸了更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。即，陽(yáng)極催化劑層404和陰極催化劑層406對(duì)于彼此處于重疊，交錯(cuò)或偏移定位。另外，當(dāng)從子密封墊層410的邊緣部分412測(cè)量到陽(yáng)極催化劑層404的邊緣部分414時(shí)，陽(yáng)極催化劑層404要長(zhǎng)于陰極催化劑層406。即，當(dāng)從子密封墊層410的邊緣部分412測(cè)量到陽(yáng)極催化劑層404的邊緣部分414時(shí)的陽(yáng)極催化劑層404的長(zhǎng)度要長(zhǎng)于當(dāng)從子密封墊層410的邊緣部分412測(cè)量到陰極催化劑層406的邊緣部分416時(shí)的陰極催化劑層406的長(zhǎng)度。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，子密封墊層410的邊緣部分412與陽(yáng)極催化劑層404的邊緣部分414之間的距離在大約0.1毫米到大約5毫米的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，子密封墊層410的邊緣部分412與陽(yáng)極催化劑層404的邊緣部分414之間的距離在大約1.5毫米到大約2.5毫米的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，粘合層408的一部分滲入陰極催化劑層406從而形成粘合滲透層418。粘合滲透層418被布置在陰極催化劑層406和子密封墊410之間。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，粘合滲透層418滲入陰極催化劑層406上部大約10％的深度。
就上述實(shí)施例而言，子密封墊層中包含有從由聚酯、聚乙烯、聚酰亞胺及其組合物組成的組中選擇出的材料。通過(guò)非限制性的例子，子密封墊層108中可能包含MYLAR(例如，雙軸取向的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(BOPET)聚酯膜)或PET(即，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)作為不能滲透的阻擋膜。然而，應(yīng)注意的是，也可以使用其它材料，例如包括，但不限制于PEN(即，聚萘二酸2，6-乙二醇酯)，KAPTON(即，聚酰亞胺膜)，其它聚酯膜，和/或類(lèi)似物。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，由于在氣體滲透性方面與聚酰亞胺膜相比分別有5倍和10倍的縮減，該邊緣結(jié)構(gòu)包括PET或PEN。另外，分別與聚酰亞胺膜相比，對(duì)于PET和PEN而言，濕氣吸附減少了3倍和4倍。這些厚度范圍給出了一些5層MEA組件(通常已知為MEA5)的邊緣的剛度，其需要大量的制造工藝操作，但是仍要足夠薄使其用于通用汽車(chē)應(yīng)用需要的高的功率密度需求。
根據(jù)前述實(shí)施例，該子密封墊層具有大約100μm或更大的厚度。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，子密封墊層具有范圍大約在6μm到大約100μm的厚度。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，子密封墊層具有范圍大約在12μm到大約50μm的厚度。
根據(jù)前述實(shí)施例，粘合層中的粘合劑可包括，但不限于，壓敏粘合劑(PSA)，熱熔性粘合劑和/或類(lèi)似物。PSA可包括，但不限于，基于丙烯酸的或硅樹(shù)脂的粘合劑。熱熔性粘合劑可包括，但不限于，聚乙烯乙酸酯或醋酸乙烯酯/聚乙烯的混合物。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，MEA的邊緣結(jié)構(gòu)包括使用PSA，因?yàn)镻SA可以在室溫下被施加到涂覆有催化劑的膜上，其不影響膜耐久性。
根據(jù)前述實(shí)施例，粘合層具有大約50μm或更大的厚度。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，粘合層具有范圍在大約6μm到大約50μm的厚度。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，粘合層具有范圍在大約8μm到大約25μm的厚度。
在不受本發(fā)明的特定操作原理約束的條件下，這些范圍產(chǎn)生連續(xù)的具有無(wú)粘合空隙的粘合劑膜，且允許粘合劑在催化劑層邊緣進(jìn)行流動(dòng)，從而提供催化劑邊緣和膜之間的氣密密封部。在不受本發(fā)明的特定操作原理約束的條件下，該氣密密封部將直接進(jìn)入到膜的氣體以及后來(lái)的導(dǎo)致加速的局部化學(xué)劣化的自由基的形成減小到最小。
根據(jù)前述實(shí)施例，整個(gè)MEA的耐久性比較于傳統(tǒng)MEA結(jié)構(gòu)而言提高2-3倍。一般地，對(duì)陰極側(cè)面使用子密封墊層(即，不能滲透的阻擋膜)/粘合劑使得MEA耐久性提高近2倍，并且對(duì)陽(yáng)極側(cè)面使用子密封墊層(即，不能滲透的阻擋膜)/粘合劑使得MEA耐久性提高大約3倍。
在不受本發(fā)明的特定操作原理約束的條件下，通過(guò)利用本發(fā)明可以意識(shí)到存在幾個(gè)好處，例如但不局限于(1)對(duì)于更易于通過(guò)大量制造工藝操作處理而言，將子密封墊層附著到具有粘合劑的膜層提供了剛性更大的部分；(2)子密封墊層(即，不能滲透的氣體阻擋膜)限定出一致的邊緣結(jié)構(gòu)組成，例如，或是陰極＞陽(yáng)極或是陽(yáng)極＞陰極，而不考慮導(dǎo)致改進(jìn)的整個(gè)膜耐久性的局部電極重疊；(3)與沿著涂覆有催化劑的膜邊緣的自由鋪置的阻擋膜相比而言，子密封墊層(即，不能滲透的氣體阻擋膜)和催化劑層(即，電極)邊緣之間的粘合劑膜(即，粘合滲透層)使得直接進(jìn)入到膜的氣體以及后來(lái)的導(dǎo)致加速的局部化學(xué)劣化的自由基的形成減小到最小；(4)在局部聚合物膜化學(xué)劣化發(fā)生在陽(yáng)極催化劑邊緣和陰極催化劑邊緣之間的區(qū)域內(nèi)的情況下，該子密封墊層/粘合層將防止氣體從那里流入，從而提高了整個(gè)膜的耐久性。
以上對(duì)本發(fā)明的描述本質(zhì)上僅是示例性的，因此，不偏離本發(fā)明要點(diǎn)的變型旨在落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。這些變型不被視為超出了本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種膜電極組件，包括膜層；與膜層的一個(gè)表面相鄰的陰極催化劑層；與膜層的另一表面相鄰的陽(yáng)極催化劑層，其中膜層被布置在陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層之間；與膜層的所述另一表面相鄰的粘合層，其中粘合層與陽(yáng)極催化劑層的表面相鄰接；以及具有邊緣部分的子密封墊層，其中子密封墊層與粘合層的表面相鄰，其中粘合層被布置在子密封墊層和膜層之間；其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陰極催化劑層比陽(yáng)極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)明，其中一部分粘合層滲入陽(yáng)極催化劑層以形成粘合滲透層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)明，其中粘合滲透層被布置在陽(yáng)極催化劑層和子密封墊層之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)明，其中子密封墊層包含從包括聚酯、聚乙烯、聚酰亞胺及其組合物組成的組中選擇的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)明，其中子密封墊層的邊緣部分和陰極催化劑層的邊緣部分之間的距離是在大約0.1毫米到大約5毫米的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)明，其中子密封墊層的邊緣部分與陰極催化劑層的邊緣部分之間的距離在大約1.5毫米到大約2.5毫米的范圍內(nèi)。
7.一種膜電極組件，包括膜層；與膜層的一個(gè)表面相鄰的陰極催化劑層；與膜層的另一表面相鄰的陽(yáng)極催化劑層，其中膜層被布置在陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層之間；與膜層的另一表面相鄰的粘合層，其中粘合層與陽(yáng)極催化劑層的表面相鄰接；以及具有邊緣部分的子密封墊層，其中子密封墊層與粘合層的表面相鄰，其中粘合層被布置在子密封墊層和膜層之間，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陽(yáng)極催化劑層比陰極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)明，其中一部分粘合層滲入陽(yáng)極催化劑層以形成粘合滲透層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)明，其中粘合滲透層被布置在陽(yáng)極催化劑層和子密封墊層之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)明，其中子密封墊層包含從包括聚酯、聚乙烯、聚酰亞胺及其組合物組成的組中選擇的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)明，其中子密封墊層的邊緣部分和陽(yáng)極催化劑層的邊緣部分之間的距離是在大約0.1毫米到大約5毫米的范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)明，其中子密封墊層的邊緣部分與陽(yáng)極催化劑層的邊緣部分之間的距離在大約1.5毫米到大約2.5毫米的范圍內(nèi)。
13.一種膜電極組件，包括膜層；與膜層的一個(gè)表面相鄰的陽(yáng)極催化劑層；與膜層的另一表面相鄰的陰極催化劑層，其中膜層被布置在陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層之間；與膜層的所述另一表面相鄰的粘合層，其中粘合層與陰極催化劑層的表面相鄰接；以及具有邊緣部分的子密封墊層，其中子密封墊層與粘合層的表面相鄰，其中粘合層被布置在子密封墊層和膜層之間，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陰極催化劑層比陽(yáng)極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)明，其中一部分粘合層滲入陰極催化劑層以形成粘合滲透層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)明，其中粘合滲透層被布置在陰極催化劑層和子密封墊層之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)明，其中子密封墊層包含從包括聚酯、聚乙烯、聚酰亞胺及其組合物組成的組中選擇的材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)明，其中子密封墊層的邊緣部分和陰極催化劑層的邊緣部分之間的距離是在大約0.1毫米到大約5毫米的范圍內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)明，其中子密封墊層的邊緣部分與陰極催化劑層的邊緣部分之間的距離在大約1.5毫米到大約2.5毫米的范圍內(nèi)。
19.一種膜電極組件，包括膜層；與膜層的一個(gè)表面相鄰的陽(yáng)極催化劑層；與膜層的另一表面相鄰的陰極催化劑層，其中膜層被布置在陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層之間；與膜層的所述另一表面相鄰的粘合層，其中粘合層與陰極催化劑層的表面相鄰接；以及具有邊緣部分的子密封墊層，其中子密封墊層與粘合層的表面相鄰，其中粘合層被布置在子密封墊層和膜層之間，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陽(yáng)極催化劑層比陰極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的發(fā)明，其中一部分粘合層滲入陰極催化劑層以形成粘合滲透層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)明，其中粘合滲透層被布置在陰極催化劑層和子密封墊層之間。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的發(fā)明，其中子密封墊層包含從包括聚酯、聚乙烯、聚酰亞胺及其組合物組成的組中選擇的材料。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的發(fā)明，其中子密封墊層的邊緣部分和陽(yáng)極催化劑層的邊緣部分之間的距離是在大約0.1毫米到大約5毫米的范圍內(nèi)。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的發(fā)明，其中子密封墊層的邊緣部分與陽(yáng)極催化劑層的邊緣部分之間的距離在大約1.5毫米到大約2.5毫米的范圍內(nèi)。
全文摘要
一種膜電極組件包括膜層；與膜層表面相鄰的陰極或陽(yáng)極催化劑層；與膜層的另一表面相鄰的陽(yáng)極或陰極催化劑層；與膜層的所述另一表面相鄰的粘合層，其中粘合層與陽(yáng)極或陰極催化劑層的表面相鄰接；以及具有邊緣部分的子密封墊層，其中子密封墊層與粘合層的表面相鄰，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸，其中相對(duì)于子密封墊層的邊緣部分，陰極或陽(yáng)極催化劑層比陽(yáng)極或陰極催化劑層沿著膜層的長(zhǎng)度延伸更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
文檔編號(hào)H01M4/86GK101026241SQ200710100640
公開(kāi)日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2007年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月21日
發(fā)明者J·萊斯特拉, R·L·詹姆斯, D·多布利斯 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作公司