專利名稱：薄的燃料電池膜電極組件及包括它的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄的燃料電池膜電極組件(MEA)及包含該膜電極組件的燃料電池，更具體地，本發(fā)明涉及這樣的MEA和包含它的燃料電池，該MEA具有小的厚度和低的傳質(zhì)阻力，所以可以穩(wěn)定地發(fā)電；該MEA還具有低的電阻，所以可以有效地運行。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種發(fā)電系統(tǒng)，其直接將(如甲醇、乙醇或天然氣等碳氫化合物中所包含的)氫與氧的化學反應能轉(zhuǎn)變成電能。
在燃料電池系統(tǒng)中，通過堆積幾個至數(shù)十個單元電池形成實質(zhì)上發(fā)電的電池堆，每個單元電池均包括MEA和隔板(或者雙極板)。MEA具有包括陽極(也稱之為燃料電極或氧化電極)和陰極(也稱之為空氣電極或還原電極)且該陽極和陰極通過其間的聚合物電解質(zhì)膜彼此結(jié)合起來的結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)將參照圖1詳述常規(guī)的MEA。
參照圖1，電解質(zhì)膜50介于陰極20與陽極10之間。陽極10和陰極20分別包括催化劑層16和26，擴散層14和24，以及碳基底12和22。
其中發(fā)生氧化和還原反應的催化劑層16和26是利用擔載催化劑制備的。擴散層14和24分別承載在陽極10和陰極20上，并將反應物分散到催化劑層16和26中，使反應物容易到達催化劑層16和26。碳基底12和22由炭布、炭紙等制成。一般地，陽極10的碳基底12不含粘結(jié)劑，而陰極20的碳基底22包含粘結(jié)劑。
電解質(zhì)膜50將產(chǎn)生于陽極10的質(zhì)子傳遞給陰極20，具有防止產(chǎn)生于陰極20的電子移動至陽極10的絕緣功能，并且充當防止未反應的氫移動至陰極20和未反應的氧化劑移動至陽極10的阻擋層。
一般地，電解質(zhì)膜50具有約100μm的厚度，催化劑層16和26各自具有約20μm的厚度，擴散層14和24各自具有約40μm的厚度，碳基底12和22各自具有約100～300μm的厚度。因此，碳基底12和22的厚度為MEA的厚度的約50～70％。
在常規(guī)MEA的厚度中，如此高比例的碳基底12和22，妨礙了細長而緊湊的燃料電池的制造。
通常，碳基底(1)均勻地擴散反應物如燃料、水、空氣等，(2)收集所產(chǎn)生的電力，及(3)防止催化劑層和擴散層的材料被流體沖走。
當陰極中的氧化劑流動不充分時，則難于除去陰極中產(chǎn)生的水，從而使水充滿碳基底的微孔，這稱之為溢阻現(xiàn)象(flooding)。這種溢阻現(xiàn)象是燃料電池中要解決的重大障礙。為了除去水并防止這種溢阻現(xiàn)象，可以將防水的粘結(jié)劑加到碳基底中。然而，在這種情況下，電流收集性能下降。另外，由于碳基底中的材料分布不均勻，所以傳質(zhì)路徑的長度增加并發(fā)生局部的溢阻現(xiàn)象，這直接導致傳質(zhì)不穩(wěn)定和響應速度慢。
常規(guī)的MEA制備如下(參見圖2A)。
首先，將催化劑層分別形成于基片(film)上，將具有催化劑層的基片附著在電解質(zhì)膜的兩側(cè)，然后除去基片。各催化劑層根據(jù)其是用于陰極還是用于陽極而包含適當?shù)幕钚越M分。
然后，在碳基底上分別形成包含粘結(jié)劑的擴散層。將具有擴散層的碳基底結(jié)合在上面制備的電解質(zhì)膜-催化劑層部件上，使得擴散層面向電解質(zhì)膜-催化劑層部件的催化劑層。結(jié)果，碳基底形成了該部件的最外表面。通過上述方法，可以制得常規(guī)的MEA。
如上所述，常規(guī)MEA的電解質(zhì)膜經(jīng)歷兩次粘結(jié)過程，所以會因為加熱粘結(jié)過程中的脫水而退化。
因此，在MEA厚度、反應物提供的穩(wěn)定性方面仍存在改進的空間，這直接關(guān)系到發(fā)電的穩(wěn)定性和電解質(zhì)膜的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種薄的膜電極組件(MEA)，其因為傳質(zhì)阻力低而可以穩(wěn)定地發(fā)電，并且因為電阻低而可以有效地運行。
本發(fā)明提供一種制備MEA的方法。
本發(fā)明提供一種包含所述MEA的燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種膜電極組件，該膜電極組件包括陰極，該陰極包括催化劑層和具有開孔的擴散層；陽極，該陽極包括催化劑層和具有開孔的擴散層；及介于陰極和陽極之間的電解質(zhì)膜。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制備膜電極組件的方法，該方法包括(a)在基片上分別形成催化劑層并干燥該催化劑層，以形成催化劑層單元；(b)在基片上分別形成擴散層并燒結(jié)該擴散層，以形成擴散層單元；(c)在(b)中所形成的各擴散層單元中形成開孔；(d)分別粘結(jié)催化劑層單元和擴散層單元，使各催化劑層單元上的催化劑層與相應擴散層單元的擴散層接觸，形成電極單元；(e)將電極單元粘結(jié)在聚合物電解質(zhì)膜的兩側(cè)；(f)在(a)至(d)中任一步驟之后，從各催化劑層單元除去基片；及(g)在(a)至(e)中任一步驟之后，從各擴散層單元除去基片。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供一種包含該膜電極組件的燃料電池。


通過結(jié)合附圖詳述其示例性實施方案，本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點將會更加清楚，在附圖中圖1是常規(guī)膜電極組件(MEA)的截面放大圖；圖2A常規(guī)MEA制備方法的流程圖；圖2B是根據(jù)本發(fā)明的制備MEA的方法的流程圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例1制備的催化劑層單元(a)的照片和構(gòu)圖的擴散層單元(b)的照片；圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例1制備的MEA的照片；圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例1和對比例1制備的單元電池的性能曲線；及圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例1和對比例1制備的單元電池之發(fā)電穩(wěn)定性試驗的結(jié)果的曲線圖。
具體實施例方式
現(xiàn)將詳述本發(fā)明如下。
根據(jù)本發(fā)明的膜電極組件(MEA)包括(a)陰極，其包括催化劑層和具有開孔的擴散層；(b)陽極，其包括催化劑層和具有開孔的擴散層；及(c)介于陰極和陽極之間的電解質(zhì)膜。
催化劑層和擴散層可以是本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的常規(guī)催化劑層和擴散層。然而，與常規(guī)擴散層不同，根據(jù)本發(fā)明的擴散層具有開孔。
對開孔的形狀沒有具體的限制，其可以是但不限于圓形，多角形如長方形、三角形等，或者直線形。
然而，考慮到構(gòu)圖的擴散層單元的機械強度、可變形性和易于加工性，開孔的縱橫比可以為1～3。如果縱橫比不在上述范圍，加工變得困難，擴散層單元更可能變形，機械強度降低，且在加工期間擴散層單元更可能斷裂。
開孔的總面積可以為擴散層單元的面積的5～85％，優(yōu)選為30～65％。如果開孔的總面積小于擴散層單元的面積的5％，則傳質(zhì)不充分，因而形成開孔毫無意義。如果開孔的總面積大于85％，則機械強度降低，因而加工變得困難。
陽極可以包含水化層。水化層形成于陽極擴散層之遠離催化劑層的表面。水化層促進電解質(zhì)膜的水合，并且由例如SiO2、TiO2、磷鎢酸、磷鉬酸等構(gòu)成。然而，可以使用任何水合材料形成水化層，并不限于上面列舉的材料。
水化層的厚度可以為0.01～1μm。水化層為非導電層。因此，如果這種非導電水化層完全覆蓋擴散層的表面，則不能收集所產(chǎn)生的電流。因而，水化層可以形成海島形。
下面將說明根據(jù)本發(fā)明的制備MEA的方法。
催化劑層單元的制備催化劑層單元是通過形成催化劑層于基片上并干燥該催化劑層而制備的。所述基片可以是但不限于Teflon基片，PET基片，Captone基片，Tedra基片，鋁箔，或者聚酯薄膜基片?？梢允褂闷渖显试S形成要轉(zhuǎn)印的催化劑層的任何基片。
催化劑層可以利用能夠在基片上形成厚度均勻的催化劑層的任何方法形成。形成催化劑層的方法的實例包括但不限于帶鑄(tape casting)法、噴涂法、絲網(wǎng)印刷法等，可以利用這些方法將催化劑漿料涂布在基片上。
催化劑漿料可以是載體擔載的催化劑于液體中的分散系，也可以是包含分散的催化劑顆粒的基質(zhì)的液體分散系。另外，根據(jù)要制備的催化劑層單元是用于陽極單元還是用于陰極單元，確定要使用的催化劑的組分和組成。
所述液體充當分散介質(zhì)。優(yōu)選的分散介質(zhì)的實例包括但不限于水、乙醇、甲醇、異丙醇、正丙醇、丁醇等，更優(yōu)選水、甲醇和異丙醇。
催化劑漿料可以包含導電材料如Nafion。
制備催化劑漿料時，載體擔載的催化劑、分散介質(zhì)和導電材料可以按1∶3∶0.15的比例混合，但并不限于該比例。催化劑漿料可以通過在聲波槽中混合各組分適當比例的混合物1～3小時來制備。
將通過上述方法形成的催化劑層在60～120℃的溫度下干燥1～4小時，以除去所用的分散介質(zhì)。如果干燥溫度低于60℃，則不能充分地除去分散介質(zhì)，因而催化劑層不能徹底干燥。如果干燥溫度高于120℃，則催化劑可能被破壞。如果干燥時間小于1小時，則分散介質(zhì)不能充分地除去，因而催化劑層不能徹底干燥。如果干燥時間長于4小時，則不經(jīng)濟。
通過干燥過程，得到完整的催化劑層單元。催化劑層單元的單位面積質(zhì)量可以為2～8mg/cm2。如果催化劑層單元的單位面積質(zhì)量小于2mg/cm2，則催化劑層的機械強度變?nèi)?。如果催化劑層單元的單位面積質(zhì)量大于8mg/cm2，則催化劑層會對反應物的擴散產(chǎn)生阻力，因而干擾傳質(zhì)。
擴散層單元的制備其次，按類似于催化劑層單元的方式，通過在基片上形成擴散層并燒結(jié)之來制備擴散層單元。如催化劑層單元的制備中所述，基片可以是但不限于Teflon基片，PET基片，Captone基片，Tedra基片，鋁箔，或者聚酯薄膜基片?？梢允褂闷渖显试S形成要轉(zhuǎn)印的擴散層的任何基片。
擴散層可以利用能夠在基片上形成厚度均勻的擴散層的任何方法形成。形成擴散層的方法的實例包括但不限于帶鑄法、噴涂法、絲網(wǎng)印刷法等，可以利用這些方法將碳漿料涂布在基片上。
碳漿料可以是碳粉末、粘結(jié)劑和分散介質(zhì)的混合物。碳粉末可以是任何粉末形式的碳材料，如粉末碳黑、乙炔黑、碳納米管、碳納米線、碳納米角、碳納米纖維等。
粘結(jié)劑可以是但不限于聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、氟化乙烯丙烯(FEP)等。
另外，優(yōu)選的分散介質(zhì)的實例包括但不限于水、乙醇、甲醇、異丙醇、正丙醇、丁醇等，更優(yōu)選水、乙醇、甲醇和異丙醇。
碳粉末、粘結(jié)劑和分散介質(zhì)的優(yōu)選組成比例可以為0.7∶0.3∶10，但并不限于該比例。碳漿料可以通過在聲波槽中混合各組分適當比例的混合物30分鐘至2小時來制備。
將通過上述方法形成的擴散層在150～350℃的溫度下燒結(jié)20分鐘至2小時，以除去所用的分散介質(zhì)。進行擴散層燒結(jié)的目的是除去所用的分散介質(zhì)并適當?shù)胤植颊辰Y(jié)劑，以獲得適當?shù)某馑圆⒎乐固冀M分損失。如果燒結(jié)溫度低于150℃，則粘結(jié)劑不能充分地分布因而不能恰當?shù)匕l(fā)揮作用，進而導致斥水性差。如果燒結(jié)溫度高于350℃，則擴散層單元會因為過熱而變形。如果燒結(jié)時間短于30分鐘，則粘結(jié)劑不能充分地分布因而不能恰當?shù)匕l(fā)揮作用，進而導致斥水性差。如果燒結(jié)時間長于2小時，則不經(jīng)濟，而且粘結(jié)劑會過于均勻地分布，并出現(xiàn)電導率問題。
燒結(jié)溫度可以根據(jù)粘結(jié)劑的類型來調(diào)整。優(yōu)選控制燒結(jié)溫度在粘結(jié)劑的熔點附近。
通過燒結(jié)過程得到的擴散層單元的單位面積質(zhì)量可以為0.1～4mg/cm2。如果擴散層單元的單位面積質(zhì)量小于0.1mg/cm2，則不能實現(xiàn)燃料的順利擴散，而且機械強度降低。如果擴散層單元的單位面積質(zhì)量大于4mg/cm2，則擴散層單元會阻礙反應物的擴散，進而影響傳質(zhì)。
燒結(jié)的擴散層單元還經(jīng)過構(gòu)圖(patterning)過程。構(gòu)圖過程是指在通過上述方法形成的擴散層單元中形成開孔的過程。開孔的形狀可以是圓形，多角形如長方形、三角形等，或者直線形，但是開孔的形狀并不限于這些。
然而，考慮到構(gòu)圖的擴散層單元的機械強度、可變形性和易于加工性，開孔的縱橫比可以為1～3。如果縱橫比不在上述范圍，則加工變得困難，擴散層單元更可能變形，機械強度降低，擴散層單元更可能在加工過程中斷裂。
開孔的總面積可以為擴散層單元的面積的5～85％，優(yōu)選為30～65％。如果開孔的總面積小于擴散層單元的面積的5％，則傳質(zhì)不充分，因而開孔的形成毫無意義。如果開孔的總面積大于85％，則機械強度降低，因而加工變得困難。
構(gòu)圖可以通過本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的各種方法進行。例如，可以采用利用切割繪圖機(cutting plotter)的方法。待將擴散層單元固定在切割繪圖機上，并利用計算機輔助設(shè)計(CAD)程序設(shè)計所需開孔圖案之后，利用切割繪圖機根據(jù)所設(shè)計的開孔圖案在擴散層單元中形成開孔。然而，所述構(gòu)圖可利用本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的各種方法進行，并不限于上述的采用切割繪圖機的方法。
通過上述方法完成擴散層單元。
還可以包括在基片和擴散層之間形成水化層的方法。水化層形成在陽極擴散層的背向催化劑層的表面上。
例如，水化層可以在擴散層形成之前形成在基片上。然而，水化層可以利用各種方法形成于基片與擴散層之間。
水化層可以由例如SiO2、TiO2、磷鎢酸、磷鉬酸等構(gòu)成。然而，可以使用任何水合材料形成水化層，并不限于上面所列舉的材料。
水化層的厚度可以為0.01～1μm。水化層為非導電層。因此，如果這種非導電水化層完全覆蓋擴散層的表面，則不能收集所產(chǎn)生的電流。因而，水化層可以形成海島狀。
水化層可以利用本領(lǐng)域中公知的各種方法形成。然而，優(yōu)選用于形成局部水化層的噴涂法，或者轉(zhuǎn)印其上已經(jīng)能夠形成水化層的基片的方法。
催化劑層與擴散層的粘結(jié)接著，通過催化劑層單元與擴散層單元的結(jié)合制備電極單元。電極單元充當陽極或陰極。
可以采用本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的常規(guī)方法，粘結(jié)催化劑層單元和擴散層單元。然而，優(yōu)選熱壓法。
在一個實施方案中，熱壓法可以在30～200℃優(yōu)選40～90℃的溫度以及0.1～1.0噸/cm2的壓力下，進行1～20分鐘。如果熱壓溫度低于30℃，則催化劑層單元和擴散層單元不能牢固地結(jié)合，并且會彼此分離。如果熱壓溫度高于200℃，則催化劑會退化。
通過上述方法制備電極單元。如果電極單元是利用包含陰極催化劑的催化劑層單元制備的，則所得電極單元稱作陰極單元。如果電極單元是利用包含陽極催化劑的催化劑層單元制備的，則所得電極單元稱為陽極單元。
附著在催化劑層單元上的基片可以在催化劑層單元干燥之后和催化劑層單元與電解質(zhì)膜結(jié)合之前的任何時間除去。優(yōu)選附著在陽極或陰極單元的催化劑層上的基片在陽極或陰極單元與擴散層單元結(jié)合之后除去。如果基片于其它步驟中從電極單元上除去，則加工變得復雜且效率降低。
電解質(zhì)膜與電極單元的粘結(jié)接著，通過粘結(jié)電極單元(陽極單元和陰極單元)與電解質(zhì)膜形成MEA。
將電解質(zhì)膜置于兩個電極單元之間，電解質(zhì)膜的一側(cè)與陰極單元結(jié)合，另一側(cè)與陽極單元結(jié)合?？梢允褂帽绢I(lǐng)域的技術(shù)人員公知的常規(guī)方法進行這種粘結(jié)過程。然而，優(yōu)選熱壓法。
熱壓法可以在50～200℃優(yōu)選100～150℃以及0.1～1.0噸/cm2的壓力下，進行1～20分鐘。如果熱壓溫度小于50℃，則粘結(jié)不充分，而且電極與電解質(zhì)膜之間的界面電阻增加，在最糟糕的情形中，催化劑層單元會同擴散層單元相分離。如果熱壓溫度高于200℃，則電解質(zhì)膜會因為脫水而退化。
附著在擴散層單元上的基片可以在燒結(jié)擴散層單元之前的任何時間除去。然而，優(yōu)選附著在擴散層單元上的基片在熱壓之后除去，結(jié)果形成完整的MEA。如果附著在擴散層上的基片于其它步驟中除去，則加工變得復雜且效率降低。
通過上述方法完成了MEA。
由于如上制備的MEA沒有單獨的碳基底，所以該MEA很薄，并且可用于形成細長而緊湊的燃料電池。另外，該MEA還確保快速的響應和穩(wěn)定的發(fā)電，并降低電阻，使得可以制備高性能的燃料電池。
下文中將說明包含本發(fā)明的MEA的燃料電池。
燃料電池可以利用本發(fā)明的MEA以及本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的常規(guī)方法制備。換言之，任何包含本發(fā)明的MEA及布置在該MEA兩側(cè)的雙極板的燃料電池，均落入本發(fā)明的范圍。
下文中，將參照下面的實施例和對比例更具體地闡述本發(fā)明。下面的實施例僅用于說明，而不是對本發(fā)明的范圍的限制。
實施例1催化劑層單元的制備分別使用Pt-Ru黑和Pt黑作為陽極和陰極催化劑。將每種金屬催化劑、水、Nafion和異丙醇以1∶1∶0.15∶2的重量比在聲波槽中一起混合2小時，形成催化劑層漿料。
利用絲網(wǎng)印刷法，將催化劑層漿料分別涂布在PET基片上，并在70℃干燥2小時。
擴散層單元的制備將碳黑粉末、聚偏二氟乙烯(PVdF)和異丙醇以0.7∶0.3∶10的和總量比在聲波槽中一起混合2小時，制得擴散層漿料。
利用絲網(wǎng)印刷法，將所制備的擴散層漿料涂布在PET基片上，并于170℃下燒結(jié)1小時，形成擴散層單元。
利用切割繪圖機，將擴散層單元構(gòu)圖，形成圓形開孔(參見圖3中的(b))。開孔的總面積為擴散層單元的面積的15％。
電極單元的制備將每個催化劑層單元和擴散層單元通過在80℃和0.7噸/cm2的壓力下熱壓5分鐘進行粘結(jié)。然后，除去各催化劑層單元的基片，從而得到陽極單元和陰極單元。
MEA和單元電池的制備將電解質(zhì)膜放置在陽極單元與陰極單元之間，并通過在120℃和0.7噸/cm2的壓力下熱壓7分鐘進行粘結(jié)，進而形成MEA。使用Nafion 115膜(得自Dufont Inc.)作為電解質(zhì)膜。
利用所制備的MEA(參見圖4)，并根據(jù)本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的常規(guī)方法制備單元電池。
對比例1按與實施例1相同的方式制備催化劑層漿料。利用絲網(wǎng)印刷法，將該催化劑層漿料分別涂布在PET基片上，并按與實施例1相同的方式在70℃下干燥2小時。
通過在120℃和0.7噸/cm2的壓力下熱壓7分鐘，將所得的催化劑層粘結(jié)在電解質(zhì)膜的兩側(cè)。使用與實施例1中相同的電解質(zhì)膜。
按與實施例1相同的方式制備擴散層漿料。利用噴涂法，將該擴散層漿料涂布在炭紙上，并于170℃燒結(jié)1小時。
將催化劑層-電解質(zhì)膜部件布置在涂有擴散層的炭紙之間，并通過在100℃和0.7噸/cm2的壓力下熱壓7分鐘使之結(jié)合在一起，形成MEA。
利用該MEA并根據(jù)本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的常規(guī)方法制備單元燃料電池。
將根據(jù)本發(fā)明實施例1及對比例1制備的單元電池試驗如下。
在相同條件下，測量每個單元電池相對于電池電勢的電流。結(jié)果示于圖5中。所述測量在40℃下進行，同時提供兩倍化學計量組成的甲醇和空氣。
參照圖5，在相等的電池電勢下，根據(jù)實施例1的單元電池產(chǎn)生比根據(jù)對比例1的單元電池更大的電流。這表明，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池具有較低的擴散阻力和電阻，并且可以更有效地和更多地發(fā)電。
另外，對單元電池進行穩(wěn)定性試驗。首先，在恒定載荷和提供預定量甲醇的情況下，測量電池電勢的穩(wěn)定性。提供產(chǎn)生0.4A電流所需的三倍化學計量量的甲醇和產(chǎn)生0.4A電流所需的兩倍化學計量量的空氣。參照圖6，根據(jù)實施例1的燃料電池的電池電勢遠穩(wěn)定于根據(jù)對比例1的燃料電池。
接著，在改變目標電流水平的同時測量電動勢的穩(wěn)定性。換言之，提供產(chǎn)生0.3A電流所需的兩倍化學計量量的甲醇和產(chǎn)生0.3A電流所需的兩倍化學計量量的空氣。參照圖6，根據(jù)對比例的燃料電池的電池電勢嚴重地波動，而根據(jù)實施例的燃料電池的電池電勢卻非常穩(wěn)定。
上述結(jié)果表明，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的傳質(zhì)是穩(wěn)定的。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的MEA很薄，并且可用于制備細長而緊湊的燃料電池。該MEA還確?？焖俚捻憫头€(wěn)定的發(fā)電，并降低電阻，使得可以制備高性能的燃料電池。另外，由于不需要單獨的碳基底，所以膜電極組件的制造成本降低了。
盡管已經(jīng)參照其示例性實施方案具體地給出和說明了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應當理解，在不脫離下面權(quán)利要求書中所規(guī)定的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的情況下，仍然可以在形式和內(nèi)容上對本發(fā)明作出各種改變。
權(quán)利要求
1.一種膜電極組件，包括陰極，其包括催化劑層和具有開孔的擴散層；陽極，其包括催化劑層和具有開孔的擴散層；及介于陰極和陽極之間的電解質(zhì)膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的膜電極組件，其中所述開孔的縱橫比為1～3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的膜電極組件，其中所述開孔的總面積為擴散層的面積的5～85％。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的膜電極組件，其中所述開孔的總面積為擴散層的面積的30-65％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的膜電極組件，其中所述陽極還包括水化層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的膜電極組件，其中所述水化層包含SiO2，TiO2，磷鎢酸，磷鉬酸，或者前述材料的混合物。
7.一種制備膜電極組件的方法，該方法包括(a)在基片上分別形成催化劑層并干燥該催化劑層，以形成催化劑層單元；(b)在基片上分別形成擴散層并燒結(jié)該擴散層，以形成擴散層單元；(c)在形成于(b)中的各擴散層單元中形成開孔；(d)分別粘結(jié)催化劑層單元和擴散層單元，使各催化劑層單元上的催化劑層與相應擴散層單元的擴散層接觸，以形成電極單元；(e)將電極單元粘結(jié)在聚合物電解質(zhì)膜的兩側(cè)；(f)在(a)至(d)中任一步驟之后，從各催化劑層單元除去基片；及(g)在(a)至(e)中任一步驟之后，從各擴散層單元除去基片。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，在(a)中，催化劑層在60～120℃的溫度下干燥1～4小時。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，在(b)中，擴散層在150～350℃的溫度下燒結(jié)30分鐘至2小時。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，在(d)中，所述粘結(jié)是利用熱壓進行的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述熱壓是在30～200℃的溫度下進行的。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，在(e)中，所述粘結(jié)是利用熱壓進行的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述熱壓是在50～200℃的溫度下進行的。
14.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中(a)中的各催化劑層單元的每單位面積質(zhì)量為2～8mg/cm2。
15.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中(b)中的各擴散層單元的每單位面積質(zhì)量為0.1～4mg/cm2。
16.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述開孔的縱橫比為1～3。
17.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中各擴散層單元中的開孔的總面積為該擴散層單元的面積的5～85％。
18.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，還包括在(b)中于基片和擴散層之間分別形成水化層。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中所述水化層僅形成在欲用于陽極的擴散層單元的基片與擴散層之間。
20.一種燃料電池，其包含根據(jù)權(quán)利要求1～6中任一項的膜電極組件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種薄的燃料電池膜電極組件及包含該膜電極組件的燃料電池。該膜電極組件包括具有開孔的擴散層，因而不需要單獨的碳基底。該膜電極組件可用于制備細長而緊湊的燃料電池。該膜電極組件還確?？焖俚捻憫头€(wěn)定的發(fā)電，并降低電阻，使得可以制備高性能的燃料電池。另外，由于不需要單獨的碳基底，所以膜電極組件的制造成本降低了。
文檔編號H01M4/88GK1812172SQ20061000617
公開日2006年8月2日 申請日期2006年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月26日
發(fā)明者李承宰, 金之來 申請人:三星Sdi株式會社