用于分離燃料電池的膜電極組件的電極的方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于分離燃料電池的膜電極組件的電極的方法及其裝置。特別是 通過包括凍結(jié)去離子水表面上的電極樣品的所述分離方法，所述電極可以從涂覆有該電極 的貼花轉(zhuǎn)印薄膜分離，沒有任何明顯損壞。這樣，通過從所述貼花轉(zhuǎn)印薄膜而不是從膜電極 組件（MEA :membrane electrode assembly)分離所述電極，當(dāng)所述電極本身從MEA分離時， 昂貴的MEA可以不被破壞和浪費。此外，所述電極的機械特性可以提前快速量化，因此，可 以大幅減少在形成改善耐久性的MEA期間進行的長期耐久性評估期。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池 （PEMFC :polymer electrolyte membrane fuel cell)已被廣泛地用作車輛的燃料電池。當(dāng)由層疊幾百個所述PEMFC的單元電池制造的電 池堆裝載在車輛上時，所述燃料電池的單元電池應(yīng)該穩(wěn)定地運行在寬電流密度范圍內(nèi)，以 便在所述車輛的各種工作條件下，所述堆疊通常表現(xiàn)出至少幾十kW的高功率性能。
[0003] 在用于發(fā)電的燃料電池的反應(yīng)機理中，當(dāng)氫被離解成氫離子（質(zhì)子）和電子之后， 所述氫供給到陽極作為在所述燃料電池的膜電極組件（MEA)中的氧化電極，所述氫離子通 過膜傳遞到陰極作為還原電極，并且所述電子通過外部電路傳遞到陰極。在陰極處，當(dāng)氫離 子和電子與氧分子一起反應(yīng)時，電和熱產(chǎn)生，同時產(chǎn)生水作為反應(yīng)的副產(chǎn)物。當(dāng)在電化學(xué)反 應(yīng)期間產(chǎn)生的水的適當(dāng)量存在于燃料電池時，合適地保持所述MEA的濕度。然而，當(dāng)產(chǎn)生過 量水并沒有適當(dāng)?shù)爻r，"泛濫（flood) "現(xiàn)象發(fā)生，特別是在高電流密度處，并且泛濫的 水阻止了所述反應(yīng)氣體被高效地供給到燃料電池的電池，從而導(dǎo)致電壓損失。
[0004] 如上所述，因為水產(chǎn)于PEMFC中通過氫與空氣中氧的電化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)從零下溫度 到室溫或更高溫度的范圍內(nèi)重復(fù)冷凍和解凍循環(huán)時，電化學(xué)性能和耐久性可能由于電池部 件如MEA和氣體擴散層以及在燃料電池部件之間的界面上的物理損傷而降低。因此，在所 述MEA中的電極的堅固性是很重要的，以便增加燃料電池中的冷凍/解凍耐久性。特別是 在凍融循環(huán)（freezing and thawing cycle)中，即使在MEA中冰形成和生長的條件下，電 極也不應(yīng)變形或斷裂，并且電極需要很好地連接到所述MEA的膜上，并在同時，電極催化劑 需要很好地結(jié)合在一起。
[0005] 同時，燃料電池也需要通過使用外部加濕器加濕在MEA中的所述膜以提供水到其 中。另外，除濕或干涸（dry-out)反復(fù)出現(xiàn)，因為電池通常在約60°C或更高的高溫下操作， 并且由電化學(xué)反應(yīng)本身產(chǎn)生熱量，因此，重復(fù)所述MEA的干-濕循環(huán)。在這種干濕循環(huán)條件 下，起皺變形可能在MEA中產(chǎn)生。因此，附著到所述膜的電極的堅固性以及所述膜的堅固性 對良好地保持所述MEA對燃料電池的耐久性是很重要的。
[0006] 然而，MEA的冷凍和解凍的耐久性或干-濕循環(huán)耐久性對于燃料電池是重要的，一 般需要至少數(shù)月的評估期。因此，用于開發(fā)和商業(yè)化具有改進耐久性的MEA的結(jié)構(gòu)性因素 在短期內(nèi)可能無法被推斷出來。
[0007] 因此，有必要量化所述電極本身的機械特性，這與失水MEA的長期耐久性密切相 關(guān)。但是，由于所述電極本身盡管通過較小外部應(yīng)力或沖擊也很容易損壞或變形，尚未成功 地進行未經(jīng)所述損壞或變形僅僅分離所述電極。通常，對于MEA的電極可通過在貼花轉(zhuǎn)印 薄膜上涂布催化劑墨（catalyst ink)來制造。所述催化劑墨通?？赏ㄟ^混合承載在碳上 的的鉑催化劑（Pt/C)和離子交聯(lián)聚合物（ionomer)粘合劑與主要由異丙醇和去離子水組 成的溶劑混合物來制備，然后在貼花轉(zhuǎn)印薄膜上涂覆，隨后干燥它們來制造電極。
[0008] 在相關(guān)技術(shù)中，已通過使用雙懸臂梁（DCB :Double Cantilever Beam)方法試圖測 量所述電極被附著到所述MEA時的機械特性。然而，這種方法可能是不利的，因為所述電極 的獨特性能可能因高溫（例如，約l〇〇°C或更高）和將貼花轉(zhuǎn)印薄膜上的所述電極轉(zhuǎn)移到膜 上時施加的物理壓力而變形。此外，昂貴的MEA可能因經(jīng)受斷裂試驗而被使用和浪費。因 此，當(dāng)所述電極的機械特性被量化為從所述貼花轉(zhuǎn)印薄膜上分離，而不是從最終的MEA產(chǎn) 品中檢測時，可以很容易地理解所述電極的獨特性能，昂貴的MEA可以不被斷裂測試?yán)速M， 并且通過在實際測試所述MEA樣品的長期耐久性之前，提前篩選所述MEA樣品的缺陷電極， 可以提高強大的MEA的開發(fā)過程的效率。
[0009] 然而，到目前為止，尚未報道這種方法，以通過從涂敷有電極的貼花轉(zhuǎn)印薄膜中分 離原始電極，在轉(zhuǎn)移所述電極到膜上之前，量化所述電極的機械特性。
[0010] 作為用于分離多種材料的堆疊構(gòu)件的常規(guī)方法，已提出多種冷卻方法，例如，通過 噴射固體顆粒如接合層之間的冰的分離方法、使用由注入到在基片和晶體薄層之間的微孔 的液體凍結(jié)引起的膨脹來分離在基片上生長的所述晶體薄層的分離方法、通過在半導(dǎo)體基 片、分離層和半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)中利用冰冷卻分離層以減少由于膨脹和收縮引起的應(yīng)力導(dǎo)致 的分離層的力的分離方法、以及用于通過冷卻至低于室溫的溫度來剝離組件的施主基片的 方法。
[0011] 然而，這些常規(guī)的層分離的方法可能會出現(xiàn)問題，使得在所述層分離過程中將被 分離的對象可能被損壞，或者所述層可能未完全分離。因此，這些方法不能用于為燃料電池 MEA分離所述原始電極，特別是，不能用于完全分離用于對由于在分離過程中的破壞導(dǎo)致的 機械特性的量化的燃料電池 MEA的原始電極。
[0012] 以上提供的作為本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)的描述僅僅是為幫助理解本發(fā)明的【背景技術(shù)】， 并不應(yīng)被解釋為包含在本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的相關(guān)技術(shù)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 因此，本發(fā)明致力于解決與相關(guān)技術(shù)相關(guān)聯(lián)的上述問題。
[0014] 在優(yōu)選方面，本發(fā)明提供一種分離電極的新方法，使得通過在實際測試所述MEA 樣品的長期耐久性之前，篩選對MEA樣品有缺陷的電極，可以容易理解所述電極的獨特性 能，昂貴的MEA可以不通過斷裂試驗而浪費，并且可以增加開發(fā)穩(wěn)固的MEA的效率。例如， 所述電極的機械特性可以通過在將所述燃料電池 MEA的電極轉(zhuǎn)移到膜上之前，從涂敷有電 極的貼花轉(zhuǎn)印薄膜分離所述原始電極（pristine electrode)來進行量化。
[0015] -方面，本發(fā)明提供一種方法，所述方法用于在轉(zhuǎn)移所述電極到所述膜上之前，從 在涂敷有電極的所述電極轉(zhuǎn)移膜上輕易分離電極，而沒有明顯損壞。因此，可以方便和快速 地量化用于燃料電池 MEA的電極的機械特性。
[0016] 另一方面，本發(fā)明提供一種用于從涂敷有電極的貼花轉(zhuǎn)印薄膜（decal transfer film)分離電極的裝置。
[0017] 在示例性實施方式中，提供一種用于從燃料電池的膜電極組件（MEA)的貼花轉(zhuǎn)印 薄膜中分離電極的方法，所述方法包括以下步驟：通過在貼花轉(zhuǎn)印薄膜上涂覆電極，制備電 極樣品；通過使所述電極側(cè)漂浮在去離子水的表面上，浸泡所述電極樣品；在所述電極樣 品浸泡在去離子水的表面上的狀態(tài)下，冷凍所述去離子水；從粘附在冷凍的去離子水上的 所述電極樣品去除所述貼花轉(zhuǎn)印薄膜；以及通過解凍所述冷凍的去離子水，僅分離所述電 極。
[0018] 還提供一種用于從燃料電池的膜電極組件（MEA)的貼花轉(zhuǎn)印薄膜中分離電極的 裝置，所述裝置包括：通過在貼花轉(zhuǎn)印薄膜上涂覆電極形成的電極樣品；包含去離子水的 樣品測試儀；在所述電極樣品浸泡在去離子水的表面上的狀態(tài)下，用于冷凍所述去離子水 的冷凍裝置；以及通過加熱冷凍的去離子水來解凍所述冷凍的去離子水的解凍裝置。
[0019] 本發(fā)明的其它方面在下文中公開。
【附圖說明】
[0020] 本發(fā)明的上述及其它特征將參照相應(yīng)的【附圖說明】的示例性實施方式詳細描述，所 述附圖在本文下述僅以舉例說明的方式給出，且因此不限制本發(fā)明，并且其中：
[0021] 圖1示出從用于燃料電池 MEA的貼花轉(zhuǎn)印薄膜上分離電極的根據(jù)本發(fā)明的示例性 實施方式的示例性裝置；
[0022] 圖2示出一種根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式通過直接將電極附著到去離子水表 面，接著通過冷凍其（E0WS:Electrode On Water Surface;水面上的電極）來分離電極的 根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的示例性方法的示例性分離結(jié)果，并且示圖示出E0WS的剖面 結(jié)構(gòu)；
[0023] 圖3示出根據(jù)比較例的通過直接將貼花轉(zhuǎn)印薄膜附著到去離子水的表面上，接著 冷凍其（FOWS :film on water surface ;水面上的薄膜）來分離電極時的分離結(jié)果，并示意 性地圖示F0WS的剖面結(jié)構(gòu)；
[0024] 圖4示出通過使用來自比較例的（a) -般自來水和（b)鹽水，以及（c)根據(jù)本發(fā) 明示例性實施方式的去離子水的電極的分離結(jié)果的比較圖；
[0025] 圖5示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式通過煮沸（boiling)去離子水除去氣泡之 后的電極分離的比較圖，其中（a)和（b)分別表示具有約0.2和約0.4mg-Pt/cm2的鉑催化 劑承載（platnium catalyst loadings)的電極的情況；
[0026] 圖6示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的電極的分離，其中（a)是使用在煮沸和冷 卻去離子水以除去氣泡之后的去離子水的情況的例子，以及（b)是使用沒有去除氣泡的收 貨狀態(tài)（as-received)的去離子水的情況的例子；
[0027] 圖7示出根據(jù)比較例的未通過手分離的電極；和
[0028]