CN104051747A - 增强的电极组件 - Google Patents

增强的电极组件 Download PDF

Info

Publication number
CN104051747A
CN104051747A CN201410094452.0A CN201410094452A CN104051747A CN 104051747 A CN104051747 A CN 104051747A CN 201410094452 A CN201410094452 A CN 201410094452A CN 104051747 A CN104051747 A CN 104051747A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
catalyst
ionomer
coated substrate
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201410094452.0A
Other languages
English (en)
Inventor
S.C.穆斯
J.P.希利
B.M.霍塔林
T.J.富勒
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US13/836,894 external-priority patent/US9722269B2/en
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of CN104051747A publication Critical patent/CN104051747A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8892—Impregnation or coating of the catalyst layer, e.g. by an ionomer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8814—Temporary supports, e.g. decal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828—Coating with slurry or ink
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1058—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1069—Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8882—Heat treatment, e.g. drying, baking
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

本发明涉及增强的电极组件。一种燃料电池、增强的膜电极组件、以及制造增强的膜电极组件的方法。该方法包括：使电极墨沉积在第一基底上以形成第一电极层；将第一多孔增强层施加于第一电极层的表面上以形成第一催化剂涂覆基底；使第一离聚物溶液沉积在第一催化剂涂覆基底上以形成第一离聚物层；以及将膜多孔增强层施加于第一离聚物层的表面上以形成增强的膜层。

Description

增强的电极组件
优先权
本申请是2008年1月11日提交的名称为“制造使用气体扩散电极作为基底的质子交换膜的方法(Method of Making a Proton Exchange Membrane Using a Gas Diffusion Electrode as a Substrate)”的美国专利申请序列号11/972,817的部分继续申请、2011年1月13日提交的名称为“用于减少燃料电池部件中的龟裂的湿式层压法(Wet Lamination Process For Reducing Mud Cracking In Fuel Cell Components)”的美国专利申请序列号13/005,587的部分继续申请、以及2012年3月30日提交的名称为“具有整体增强层的电极组件(Electrode Assembly With Integrated Reinforcement Layer)”的美国专利申请序列号13/434,898的部分继续申请，这些专利申请的全部内容以参考的方式并入本文中。
技术领域
本申请涉及燃料电池，更具体地涉及燃料电池中所使用的膜组件、其子组件、以及用于制造膜组件和子组件的方法。
背景技术
燃料电池，有时被称为电化学转换电池，通过处理反应物，例如通过氢气和氧气的氧化和还原而产生电能。氢气是非常有吸引力的燃料，因为它是清洁燃料并且可以用于高效率地在燃料电池中产生电能。在对作为车辆动力源的氢燃料电池的开发中，汽车工业已显著扩大了投资。与目前的使用内燃发动机的车辆相比，由氢燃料电池提供动力的车辆可以是更高效的并且产生较少的排放。
在一些燃料电池系统中，氢气或富含氢气的气体作为反应物经过流径被提供至燃料电池阳极侧，同时氧气(例如采用大气中氧气的形式)作为反应物经过单独的流径被提供至燃料电池阴极侧。阳极和阴极促进反应物电化学转化成电子和带正电荷的离子(对于氢气)、以及带负电荷的离子和最终的水(对于氧气)。电解质层将阳极与阴极隔离从而允许离子从阳极传递至阴极的选择性通过，同时抑制所产生的电子的通过，相反迫使电子流经外部导电电路(例如，负载)以便在电子在阴极处与带电离子重新结合之前执行有效功。带正电荷的和带负电荷的离子在阴极处的结合导致作为反应副产物的无污染水的产生。
常规的质子交换膜(“PEM”)燃料电池可包括聚合物电解质膜(或质子交换膜)，在聚合物膜的两侧具有电极层，形成膜电极组件(“MEA”)。膜电极组件可位于一对气体扩散介质层之间，阴极板和阳极板被置于气体扩散介质层的外部。这些部件被压到一起而形成燃料电池。
然而，燃料电池经受可以减小燃料电池使用寿命的缺陷之苦。例如，在催化剂墨电极的形成期间会发生被称为“龟裂”的现象。龟裂是在催化剂电极表面中形成的网状裂缝。该网状裂缝会不合需要地影响燃料电池的性能，例如包括降低电极的有效刚度。另外，在燃料电池的运行期间，由于缺乏机械完整性，膜会经历开裂和失效。
因此，本文中公开了替代的燃料电池、膜电极组件、以及用于制造膜电极组件的方法。
发明内容
在各实施例中，公开了一种制造增强的膜电极组件的方法。该方法包括：使电极墨沉积在第一基底上以形成第一电极层；将第一多孔增强层施加于第一电极层的表面上以形成第一催化剂涂覆的基底；使第一离聚物溶液沉积在第一催化剂涂覆的基底上以形成第一离聚物层；以及将膜多孔增强层施加于第一离聚物层的表面上以形成增强的膜层。
在各实施例中，公开了一种增强的电极组件。该增强的电极组件包括第一催化剂涂覆的基底、位于该第一催化剂涂覆的基底上的增强的膜层。第一催化剂涂覆的基底包括在第一基底上的第一电极层、和在该第一电极层上的第一多孔增强层。增强的膜层包括在第一多孔增强层上的第一离聚物层、和在该第一离聚物层上的膜多孔增强层。
在各实施例中，公开了一种燃料电池。该燃料电池包括：增强的电极组件，该电极组件包括第一催化剂涂覆基底、位于该第一催化剂涂覆基底上的增强的膜层、和位于该增强的膜层上的第二催化剂涂覆基底；以及位于第一催化剂涂覆基底和第二催化剂涂覆基底的基底侧上的一对板。第一催化剂涂覆基底包括在第一基底上的第一电极层、和在该第一电极层上的第一多孔增强层。增强的膜层包括第一离聚物层、和在该第一离聚物层上的膜多孔增强层。第二催化剂涂覆基底包括在第二基底上的第二电极层、在该第二电极层上的第二多孔增强层、以及位于第一催化剂涂覆基底和第二催化剂涂覆基底的基底侧上的一对板。
本发明提供以下技术方案：
1. 一种制造增强的膜电极组件的方法，包括：
使电极墨沉积在第一基底上，以形成第一电极层；
将第一多孔增强层施加于所述第一电极层的表面上，以形成第一催化剂涂覆基底；
使第一离聚物溶液沉积在所述第一催化剂涂覆基底上，以形成第一离聚物层；以及
将膜多孔增强层涂覆于所述第一离聚物层的表面上，以形成增强的膜层。
2. 如方案1所述的方法，其中所述方法还包括将所述第一催化剂涂覆基底干燥。
3. 如方案1所述的方法，其中所述方法还包括将所述增强的膜层干燥。
4. 如方案1所述的方法，其中所述方法还包括将所述第一催化剂涂覆基底干燥，以及将所述增强的膜层干燥。
5. 如方案1所述的方法，其中所述方法还包括：
使第二离聚物溶液沉积在所述膜多孔增强层上以形成第二离聚物层，其中所述第一离聚物层、膜多孔增强层和第二离聚物层共同地形成所述增强的膜层；
将所述增强的膜层干燥；以及
将所述增强的膜层的第二离聚物层结合到第二催化剂涂覆基底的电极层，以形成所述增强的膜电极组件。
6. 如方案5所述的方法，其中所述方法还包括：在所述第二催化剂涂覆基底的电极层上形成粘性离聚物层，并且其中第二离聚物层被结合到所述第二催化剂涂覆基底，使得所述粘性离聚物层位于所述第二离聚物层和所述第二催化剂涂覆基底的电极层之间并促进这两层之间的粘接。
7. 如方案1所述的方法，其中所述方法还包括：
使第二离聚物溶液沉积在第二催化剂涂覆基底的电极层上，以便在所述第二催化剂涂覆基底的电极层上形成第二离聚物层；以及
将所述第二离聚物层结合到所述增强的膜层，以形成所述增强的膜电极组件。
8. 如方案1所述的方法，其中所述方法还包括：
将所述增强的膜层结合到第二催化剂涂覆基底的电极层，以形成所述增强的膜电极组件。
9. 如方案8所述的方法，其中所述方法还包括：在所述第二催化剂涂覆基底的电极层上形成粘性离聚物层，并且其中将所述增强的膜层结合到所述第二催化剂涂覆基底，使得所述粘性离聚物层位于所述增强的膜层和所述第二催化剂涂覆基底的电极层之间并促进这两层之间的粘接。
10. 如方案1所述的方法，其中所述方法还包括：用在溶剂中包含从约0.2至约2重量%的磺化全氟环丁烷、全氟磺酸离聚物或者其混合物的表面活性剂溶液，对所述膜多孔增强层进行预处理；以及将所述膜多孔增强层干燥。
11. 如方案1所述的方法，其中所述第一基底是贴花基底，并且所述方法还包括将所述电极层从所述贴花基底转印到无微孔层的气体扩散层、带微孔层的气体扩散介质、或者自支撑的微孔层。
12. 一种增强的电极组件，包括：
第一催化剂涂覆基底，所述第一催化剂涂覆基底包括在第一基底上的第一电极层、和在所述第一电极层上的第一多孔增强层；以及
位于所述第一催化剂涂覆基底上的增强膜层，所述增强膜层包括在所述第一多孔增强层上的第一离聚物层、和在所述第一离聚物层上的膜多孔增强层。
13. 如方案12所述的增强的电极组件，其中所述增强膜层还包括位于所述膜多孔增强层上的第二离聚物层。
14. 如方案13所述的增强的电极组件，其中所述增强的电极组件还包括第二催化剂涂覆基底，所述第二催化剂涂覆基底包括在位于所述第二离聚物层上的第二基底上的第二电极层，使得所述第二离聚物层与所述第二电极层相邻。
15. 如方案14所述的增强的电极组件，其中所述增强的 电极组件还包括粘性离聚物层，并且其中所述粘性离聚物层位于所述第二离聚物层和所述第二电极层之间并促进这两层之间的粘接。
16. 如方案12所述增强的电极组件，其中所述增强的 电极组件还包括第二催化剂涂覆基底，所述第二催化剂涂覆基底包括在位于所述膜多孔增强层上的第二基底上的第二电极层，使得所述膜多孔增强层与所述第二电极层相邻。
17. 如方案16所述的增强的电极组件，其中所述增强的 电极组件还包括粘性离聚物层，并且其中所述粘性离聚物层位于所述膜多孔增强层和所述第二电极层之间并促进这两层之间的粘接。
18. 一种燃料电池，包括：
增强的电极组件，所述增强的电极组件包括：
第一催化剂涂覆基底，所述第一催化剂涂覆基底包括在第一基底上的第一电极层、和在所述第一电极层上的第一多孔增强层；
位于所述第一催化剂涂覆基底上的增强的膜层，所述增强的膜层包括第一离聚物层和在所述第一离聚物层上的膜多孔增强层；
位于所述增强的膜层上的第二催化剂涂覆基底，所述第二催化剂涂覆基底包括在第二基底上的第二电极层和在所述第二电极层上的第二多孔增强层；以及
一对板，所述一对板位于所述第一催化剂涂覆基底和所述第二催化剂涂覆基底的基底侧上。
19. 如方案18所述的燃料电池，其中所述增强的膜层还包括在所述膜多孔增强层上的第二离聚物层。
20. 如方案18所述的燃料电池，其中所述增强的电极组件还包括粘性离聚物层，其中所述粘性离聚物位于所述增强的膜层和所述第二电极层之间并促进这两层之间的粘接。
21. 如方案18所述的燃料电池，其中所述增强的膜层还包括在所述膜多孔增强层上的第二离聚物层；并且其中所述增强的电极组件还包括粘性离聚物层，所述粘性离聚物层位于所述第二离聚物层和所述第二电极层之间并促进这两层之间的粘接。
本文中所描述的燃料电池、膜电极组件、以及用于制造膜电极组件的方法的实施例的其它特征和优点将陈述于以下的详细说明中，本领域技术人员从这些描述将容易地部分地理解上述特征和优点或者通过实施本文中所描述的实施例(包括下面的详细说明、权利要求和附图)而认识上述特征和优点。
前面的概述和下面的详细说明均描述了各种实施例，并且意图提供用以理解要求保护主题的性质和特征的概述或框架。附图被包含用于提供对各种实施例的进一步理解，附图并入本说明书而构成本说明书的一部分。这些附图图示说明了本文中所描述的各种实施例，并且连同描述用以解释要求保护主题的原理和操作。
附图说明
在各实施例中：
图1示意性地描绘了用于制造膜电极组件的方法的一个示例性实施例。
图2示意性地描绘了用于制造膜电极组件的方法的另一个示例性实施例。
图3示意性地描绘了用于制造膜电极组件的方法的又一个示例性实施例。
图4示意性地描绘了用于制造膜电极组件的方法的再一个示例性实施例。
图5示意性地描绘了用于制造膜电极组件的方法的又一个示例性实施例。
图6示意性地描绘了用于制造膜电极组件的方法的又一个示例性实施例。
图7示意性地描绘了用于制造膜电极组件的方法的又一个示例性实施例。
图8示意性地描绘了用于制造膜电极组件的方法的又一个示例性实施例。
图9用图表方式描绘了比较根据本文中图示和/或描述的一个或多个实施例形成的燃料电池的电池电压性能的图表。
图10用图表方式描绘了比较根据本文中图示和/或描述的一个或多个实施例形成的燃料电池的耐久性性能的图表。
具体实施方式
现在将详细地提及产品以及用于制造增强的膜电极组件和子组件的方法的实施例，附图中图示说明了这些实施例的实例。在可能的情况下，在所有附图中将用相同的附图标记来标示相同或相似的部件。本文中描述了用于制造增强膜电极组件和子组件的方法。本文中还描述了增强的膜电极组件、子组件和燃料电池。
所述方法通常包括：使电极墨沉积在第一基底上以形成第一电极层；将第一多孔增强层施加于第一电极层的表面上以形成第一催化剂涂覆基底；使离聚物溶液沉积在第一催化剂涂覆基底上以形成第一离聚物层；以及将膜多孔增强层施加于第一离聚物层的表面上以形成增强的膜层。所述方法还可包括：将第一催化剂涂覆基底和/或增强的膜层干燥。在本文中的一些实施例中，第一基底是贴花基底，并且将第一电极层从贴花基底转印到无微孔层的气体扩散层、带微孔层的气体扩散介质、或者自支撑的微孔层。
在本文中的实施例中，所述方法还可包括：使第二离聚物溶液沉积到增强的膜层上以形成第二离聚物层，其中第一离聚物层、膜多孔增强层和第二离聚物层共同地构成增强的膜层。可在第二离聚物溶液的沉积之前进行对第一离聚物层连同膜多孔增强层的干燥。也可在所有三层的沉积之后进行干燥。所述方法还可包括：将第二离聚物层结合到第二催化剂涂覆基底的电极层，以形成增强的膜电极组件。第二催化剂涂覆基底的电极层可以被增强或者可以不被增强。在一些实施例中，所述方法还可包括：在第二催化剂涂覆基底的电极层上形成粘性层；以及将第二离聚物层结合到第二催化剂涂覆基底，使得粘性离聚物层位于第二离聚物层和第二催化剂涂覆基底的电极层之间并促进这两层之间的粘接。也就是说，第二离聚物层与粘性层相邻。在其它实施例中，所述方法可包括：使第二离聚物溶液沉积在第二催化剂涂覆基底的电极层上，以便在第二催化剂涂覆基底上形成第二离聚物层；以及将第二离聚物层结合到增强的膜层以形成增强的膜电极组件。所述方法还可包括：将增强的膜层结合到第二催化剂涂覆基底的电极层，以形成增强的膜电极组件。
本文中还描述了增强的电极组件。这些组件可包括：第一催化剂涂覆基底，该第一催化剂涂覆基底包括在第一基底上的第一电极层和在该第一电极层上的第一多孔增强层；以及位于第一催化剂涂覆基底上的增强的膜层，该增强的膜层包括在第一多孔增强层上的第一离聚物层和在该第一离聚物层上的膜多孔增强层。
在本文中的实施例中，这些组件还可包括第二催化剂涂覆基底。在一些实施例中，第二催化剂涂覆基底可包括在第二基底上的第二电极层。在本文中的实施例中，可以或者可以不利用第二多孔增强层来增强第二电极层。第二催化剂涂覆基底可位于膜多孔增强层上。在一些实施例中，第二催化剂涂覆基底可位于膜多孔增强层上，使得膜多孔增强层与第二电极层相邻。第二催化剂涂覆基底也可具有任选的形成于第二电极层上的粘性离聚物层。在本文中的实施例中，第二催化剂涂覆基底可具有形成于该基底上的粘性离聚物层，粘性离聚物层可位于膜多孔增强层和第二电极层之间并促进这两层之间的粘接。
在本文中的实施例中，组件还可包括位于膜多孔增强层上的第二离聚物层。在一些实施例中，组件还可包括第二催化剂涂覆基底，该第二催化剂涂覆基底包括在位于第二离聚物层上的第二基底上的第二电极层，使得第二离聚物层与第二电极层相邻。在其它实施例中，第二催化剂涂覆基底可具有形成于该基底上的粘性离聚物层，该粘性离聚物层可位于第二离聚物层和第二电极层之间并促进这两层之间的粘接。
本文中还描述了燃料电池。在各实施例中，燃料电池可包括 增强的电极组件，该电极组件包括：第一催化剂涂覆基底，该第一催化剂涂覆基底包括在第一基底上的第一电极层和在该第一电极层上的第一多孔增强层；位于第一催化剂涂覆基底上的增强的膜层，该增强的膜层包括第一离聚物层和在第一离聚物层上的膜多孔增强层；和位于增强的膜层上的第二催化剂涂覆基底，该第二催化剂涂覆基底包括在第二基底上的第二电极层和（任选地）在第二电极层上的第二多孔增强层；以及，位于第一催化剂涂覆基底和第二催化剂涂覆基底的基底侧的一对板。在一些实施例中，第二催化剂涂覆基底包括在第二基底上的第二电极层和在该第二电极层上的第二多孔增强层。
在一些实施例中，增强的膜层还可包括在膜多孔增强层上的第二离聚物层。在一些实施例中，增强的电极组件还可包括粘性离聚物层，其中粘性离聚物位于增强的膜层和第二电极层之间并促进这两层之间的粘接。在一些实施例中，增强的电极组件还可包括在膜多孔增强层上的第二离聚物层，并且其中增强的电极组件还包括粘性离聚物，该粘性离聚物位于第二离聚物层和第二电极层之间并促进这两层之间的粘接。
本文中所述的基底可包括、但不限于：扩散介质(DM)、气体扩散介质(GDM)、和贴花基底，诸如聚合物膜(例如，聚偏氟乙烯(PVDF)、氟乙烯丙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚酯、或聚四氟乙烯(PTFE))、涂覆聚合物的纸(例如，涂覆聚氨酯的纸)、硅酮隔离纸、金属箔(例如，铝箔)、金属载体(例如，不锈钢载体)、具有铬涂层的轮、或者其它非多孔材料。DM和GDM可由碳基基底组成，诸如碳纸、编织碳纤维或碳布、非织造的碳纤维网，这些碳基基底是高度多孔的并且为反应气体提供良好的电极进入性。可用于本发明实施的碳基底可包括、但不限于：TorayTM碳纸、SpectraCarbTM碳纸、AFNTM非织造碳布、ZoltekTM碳布、Zoltek® PWB-3等。也可用疏水性成分或者可允许从燃料电池中除去水的微孔层对DM和GDM进行处理。在一些实施例中，基底包括气体扩散介质、带微孔层的气体扩散介质、自支撑微孔层、或者贴花基底。在其它实施例中，基底包括气体扩散介质、带微孔层的气体扩散介质、或者自支撑微孔层。
基底的厚度可根据例如所使用的基底的类型以及用途而变化。在一些实施例中，多孔基底可具有从约100微米至约500微米范围的厚度。在其它实施例中，多孔基底可具有从约150 微米至约300微米范围的厚度。在一些实施例中，非多孔基底可具有从约10微米至约3200微米范围的厚度。在其它实施例中，非多孔基底可具有从约20微米至约40微米范围的厚度。
如上所述，电极层可形成于使用催化剂基电极墨的基底上。电极墨包含离聚物的基体，该基体具有大致均匀分布于整个该基体中的多个导电的支撑颗粒。催化剂基电极墨可包含溶剂、离聚物和催化剂。
合适溶剂的例子可以包括、但不限于：异丙醇、甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、仲丁醇、叔丁醇、水、2-甲基-2-丁醇、2-甲基-2-戊醇、2,3-二甲基-2-丁醇、2,3-二甲基-2,3-丁二醇、2,4-二甲基-2,4-戊二醇、2,4-二甲基-2,4-己二醇、2,5-二甲基-2,5-己二醇、3-羟基-3-甲基-2-丁酮和4-羟基-4-甲基-2-戊酮(二丙酮醇)、或者其混合物。该混合物中可包含有水，但这不是必需的。在一些实施例中，溶剂包括有机溶剂和水。在其它实施例中，溶剂包括水、异丙醇、正丙醇、乙醇、或者其组合。
催化剂墨中所使用的离聚物可以包括在工作状态和与燃料电池运行相关的温度下基本上稳定的任何合适的质子传导聚合物。合适离聚物的例子可以包括、但不限于：四氟乙烯与一种或多种氟化的酸性官能共聚单体的共聚物、四氟乙烯-氟乙烯基醚共聚物、全氟磺酸(PFSA)、磺化全氟环丁烷(S-PFCB)、烃类聚合物、磺化聚醚酮、芳基酮、掺杂酸的聚苯并咪唑、磺化聚砜、磺化聚苯乙烯、或者其混合物。在一些实施例中，离聚物包括：全氟磺酸(PFSA)聚合物(例如从E.I. DuPont de Nemours and Co.获得的Nafion®)、烃类离聚物诸如磺化聚醚酮、芳基酮、聚苯并咪唑、或者其混合物。然而，应当理解的是也可以使用其它质子传导聚合物。
催化剂通常是具有催化活性的细碎的贵金属。合适的贵金属包括、但不限于：铂族金属，诸如铂、钯、铱、铑、钌，或者它们的合金。若需要，铂族金属也可以与其它金属形成合金。在一些实施例中，可将催化剂涂覆于支撑材料(包括导电的支撑颗粒)上。支撑颗粒可以由任何具有充分高的导电率和表面积的材料所形成以便在燃料电池中使用。合适的导电支撑颗粒包括、但不限于:炭黑、石墨和活性炭。催化剂涂覆的支撑材料可从市场上购得。
电极墨可以任选地包含用于改善电极性能的一种或多种附加材料。附加材料可包括、但不限于：纤维或者层状硅酸盐增强材料，如在2008年7月10日提交的美国专利申请序列号12/170,706和2010年9月15日提交的美国专利申请序列号12/882,653中所描述的，这些申请的内容以参考的方式并入本文中。其它添加剂可包括：粘结剂、共溶剂、湿润剂、消泡剂、表面活性剂、防沉剂、防腐剂、造孔剂、均化剂、稳定剂、pH值调节剂、助磨剂、以及可以使用于催化剂墨成分中以改善可涂布性或电极性能的其它物质。此外，可以添加碱性剂诸如氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)以缓冲离聚物的酸根。
可以利用常规的涂布技术，例如狭缝模涂布，使电极墨沉积在任何合适的基底上。在一些实施例中，如果在贴花基底上形成电极层，然后可以将电极层转印到合适的层用于其预期用途。例如，在燃料电池中，可将电极层转印到质子交换膜或气体扩散介质(具有或者不具有微孔层)。
在本文中的实施例中，多孔增强层可包括、但不限于：聚合物膜、金属网、织物、或者其组合。合适的聚合物膜的例子可包括：聚四氟乙烯(PTFE)、膨体聚四氟乙烯(ePTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、或者氟乙烯丙烯(FEP)。在一些实施例中，第一膜层和/或第二多孔增强层包含膨体聚四氟乙烯。
在本文中的实施例中，多孔增强层可用表面活性剂溶液，例如离聚物稀溶液，进行预处理，并被干燥。不受理论的束缚，已发现当使用包含磺化全氟环丁烷和/或全氟磺酸离聚物的离聚物溶液而形成膜层时，如下面进一步的描述，ePTFE可被来自膜层的离聚物溶液不完全地浸湿并且填充ePTFE，因而可以将离聚物溶液有效地涂覆于膜层上。另外，ePTFE可被用于形成电极层的电极墨不完全地浸湿。认为，通过用表面活性剂溶液对多孔增强层进行预处理，表面活性剂溶液可起作用以降低用于形成膜层的离聚物、或者用于形成电极层的电极墨的表面张力，因此在涂覆期间ePTFE可以变得完全地被浸透和/或浸湿。
在将多孔增强层涂覆于离聚物层或电极层之前进行预处理。预处理可以包括、但不限于：用表面活性剂溶液喷涂多孔增强层，将多孔增强层浸渍于表面活性剂溶液中、刮刀涂布、棒式涂布、狭缝模涂布和/或本领域技术人员已知的其它传统的浸渍或涂布方法。在本文中的实施例中，合适的表面活性剂溶液可包含在溶剂溶液中的从约0.1至约5重量%、从约0.2至约2重量%、或者从约0.5至约1重量%的离聚物，例如磺化全氟环丁烷、全氟磺酸离聚物(例如，从E.I. DuPont de Nemours and Company(美国特拉华州威尔明顿)获得的D2020)、和/或其混合物。溶剂可包括：异丙醇、甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、仲丁醇、叔丁醇、水、2-甲基-2-丁醇、2-甲基-2-戊醇、2,3-二甲基-2-丁醇、2,3-二甲基-2,3-丁二醇、2,4-二甲基-2,4-戊二醇、2,4-二甲基-2,4-己二醇、2,5-二甲基-2,5-己二醇、3-羟基-3-甲基-2-丁酮和4-羟基-4-甲基-2-戊酮(二丙酮醇)、或者其混合物。
在一些实施例中，膜多孔增强层用包含在溶剂中的从约0.2至约2重量%的磺化全氟环丁烷、全氟磺酸离聚物或者其混合物的表面活性剂溶液进行预处理，并被干燥。在其它实施例中，第一和第二多孔增强层中的一层或两者用包含在溶剂中的从约0.2至约2重量%的磺化全氟环丁烷、全氟磺酸离聚物或者其混合物的表面活性剂溶液进行预处理，并被干燥。
在膜层的形成中所使用的离聚物可包含任何合适的聚合物电解质。可用于本发明的聚合物电解质的例子可包括高度氟化的，在一些例子中是全氟化的，但也可以是部分氟化的或非氟化的。可用于本发明的氟化聚合物电解质的例子可以包括：四氟乙烯与一种或多种氟化的酸性官能共聚单体共聚物、四氟乙烯-氟乙烯基醚共聚物、全氟磺酸(PFSA)、磺化全氟环丁烷(S-PFCB)、或者其混合物。将离聚物材料使用于液相成分中，即被溶解于或分散于合适的溶剂中。许多含氟离聚物材料可以以各种浓度的水溶液形式而获得。溶液中的离聚物含量可从溶液的重量百分比约5至约50变化。当然，也可以使用以水分散体形式而提供的离聚物材料。这种分散体可包括例如：由DuPont销售的Nafion® PFSA聚合物分散体。可使用的无氟离聚物材料的例子可以包括：烃类聚合物、磺化聚醚酮类、磺化芳基酮类、掺杂酸的聚苯并咪唑类、磺化聚砜、和磺化聚苯乙烯。
通过本文中描述的方法所形成的膜可具有从约1 µm至约50 μm范围的干厚度。在一些实施例中，该膜层可具有从约1 µm至约30 μm范围的干厚度。在其它实施例中，该膜层可具有从约1 µm至约 15 μm范围的干厚度。
参照图1，描绘了用于制造增强的膜电极组件的示例性方法(100)。在第一基底(105)的表面上，使电极墨沉积在第一基底(105)上以形成第一电极层(110)。在湿润的情况下将第一多孔增强层(115)施加于第一电极层(110)的表面，以形成第一催化剂涂覆的基底(120)。在一些实例中，在湿润的情况下第一多孔增强层(115)可被渗透或浸渍了第一电极层(110)。将第一催化剂涂覆基底(120)干燥。使第一离聚物溶液沉积在第一催化剂涂覆基底(120)上，以形成第一离聚物层(125)。在湿润的情况下将膜多孔增强层(130)施加于第一离聚物层(125)的表面。在一些实例中，在湿润的情况下膜多孔增强层(130)可被渗透或浸渍有第一离聚物层(125)。将膜多孔增强层(130)和第一离聚物层(125)干燥。使第二离聚物溶液沉积在膜多孔增强层(130)上，以形成第二离聚物层(135)。将第二离聚物层(135)干燥。第一离聚物层(125)、膜多孔增强层(130)、和第二离聚物层(135)形成增强膜层(140)。
第二催化剂涂覆基底(145)形成具有在第二催化剂涂覆基底(145)表面上的任选的粘性的离聚物层(150)。第二催化剂涂覆基底(145)可包括在第二基底(146)上的第二电极层(148)。可以或者可以不利用第二多孔增强层(149)来增强第二电极层(148)。使第三离聚物溶液沉积在第二催化剂涂覆基底(145)上，以形成任选的粘性的离聚物层(150)。将任选的粘性离聚物层(150)干燥。可利用任选的粘性离聚物层(150)来促进第二离聚物层(135)与第二催化剂涂覆基底(145)之间的粘接。在一些实施例中，可利用任选的粘性离聚物层(150)来促进第二离聚物层(135)与第二催化剂涂覆基底(145)的第二电极层之间的粘接。将具有形成在其上的增强膜层(140)的第一催化剂涂覆基底(120)与具有形成在其上的任选的粘性离聚物层(150)的第二催化剂涂覆基底(145)热压或层压到一起，以形成增强的膜电极组件(155)。
图1中所示的增强的膜电极组件(155)具有在第一基底(105)上的第一电极层(110)、在第一电极层(110)上的第一多孔增强层(115)。第一基底(105)、第一电极层(110)、和第一多孔增强层(115)共同地构成第一催化剂涂覆基底(120)。第一离聚物层(125)是在第一多孔增强层(115)上，膜多孔增强层(130)是在第一离聚物层(125)上。第二离聚物层(135)是在膜多孔增强层(130)上。第一离聚物层(125)、膜多孔增强层(130)、和第二离聚物层(135)共同地构成增强膜层(140)。任选的粘性离聚物层(150)是在第二离聚物层(135)上，第二催化剂涂覆基底(145)是在任选的粘性离聚物层(150)上。
参照图2，描绘了制造增强的膜电极组件的示例性方法(200)。在第一基底(205)的表面上，使电极墨沉积在第一基底(205)上以形成第一电极层(210)。在湿润的情况下将第一多孔增强层(215)施加于第一电极层(210)的表面，以形成第一催化剂涂覆基底(220)。在一些实例，在湿润的情况下第一多孔增强层(215)可被渗透或浸渍了第一电极层210。使离聚物溶液沉积在第一催化剂涂覆基底(220)上，以形成第一离聚物层(225)。在湿润的情况下将膜多孔增强层(230)施加于第一离聚物层(225)的表面。在一些实例中，在湿润的情况下膜多孔增强层(230)可被渗透或浸渍了第一离聚物层(225)。将第一催化剂涂覆基底(220)、第一离聚物层(225)、和膜多孔增强层(230)干燥。使第二离聚物溶液沉积在膜多孔增强层(230)上，以形成第二离聚物层(235)。将第二离聚物层(235)干燥。第一离聚物层(225)、膜多孔增强层(230)和第二离聚物层(235)形成增强膜层(240)。
第二催化剂涂覆基底(245)形成具有在第二催化剂涂覆基底(245)表面上的任选的粘性离聚物层(250)。第二催化剂涂覆基底(245)可包括在第二基底(246)上的第二电极层(248)。可以或者可以不利用第二多孔增强层(249)来增强第二电极层(248)。使第三离聚物溶液沉积在第二催化剂涂覆基底(245)上，以形成任选的粘性离聚物层(250)。将任选的粘性离聚物层(250)干燥。任选的粘性离聚物层(250)可用于促进第二离聚物层(235)与第二催化剂涂覆基底(245)之间的粘接。在一些实施例中，任选的粘性离聚物层(250)可用于促进第二离聚物层(235)与催化剂涂覆基底(245)的第二电极层之间的粘接。将具有形成在其上的增强膜层(240)的第一催化剂涂覆基底(220)与具有形成在其上的任选的粘性离聚物层(250)的第二催化剂涂覆基底(245)热压或层压到一起，以形成增强的膜电极组件(255)。
图2中所示的增强膜电极组件(255)具有在第一基底(205)上的第一电极层(210)、在第一电极层(210)上的第一多孔增强层(215)。第一基底(205)、第一电极层(210)和第一多孔增强层(215)共同地构成第一催化剂涂覆基底(220)。第一离聚物层(225)是在第一多孔增强层(215)上，膜多孔增强层(230)是在第一离聚物层(225)上。第二离聚物层(235)是在膜多孔增强层(230)上。第一离聚物层(225)、膜多孔增强层(230)、和第二离聚物层(235)共同地构成增强膜层(240)。任选的粘性离聚物层(250)是在第二离聚物层(235)上，第二催化剂涂覆基底(245)是在任选的粘性离聚物层(250)上。
参照图3，描绘了制造增强膜电极组件的示例性方法(300)。在第一基底(305)的表面上，使电极墨沉积在第一基底(305)上以形成第一电极层(310)。在湿润的情况下将第一多孔增强层(315)施加于第一电极层(310)的表面，以形成第一催化剂涂覆基底(320)。在一些实例中，在湿润的情况下第一多孔增强层(315)可被渗透或浸渍了第一电极层(310)。将第一催化剂涂覆基底(320)干燥。使离聚物溶液沉积在第一催化剂涂覆基底(320)上，以形成第一离聚物层(325)。在湿润的情况下将膜多孔增强层(330)施加于第一离聚物层(325)的表面。在一些实例中，在湿润的情况下膜多孔增强层330可被渗透或浸渍了第一离聚物层(325)。使第二离聚物溶液沉积在膜多孔增强层(330)上，以形成第二离聚物层(335)。第一离聚物层(325)、膜多孔增强层(330)和第二离聚物层(335)形成增强的膜层(340)，然后将增强的膜层(340)干燥。
第二催化剂涂覆基底(345)形成具有在第二催化剂涂覆基底(345)表面上的任选的粘性离聚物层(350)。第二催化剂涂覆基底(345)可包括在第二基底(346)上的第二电极层(348)。可以或者可以不利用第二多孔增强层(349)来增强第二电极层。使第三离聚物溶液沉积在第二催化剂涂覆基底(345)上，以形成任选的粘性离聚物层(350)。将任选的粘性离聚物层(350)干燥。在一些实施例中，任选的粘性离聚物层(350)可用于促进第二离聚物层(335)与催化剂涂覆基底(345)的第二电极层之间的粘接。将具有形成在其上的增强的膜层(340)的第一催化剂涂覆基底(320)与具有形成在其上的任选的粘性离聚物层(350)的第二催化剂涂覆基底(345)热压或层压到一起，以形成增强的膜电极组件(355)。
图3中所示的增强的膜电极组件(355)具有在第一基底(305)上的第一电极层(310)、在第一电极层(310)上的第一多孔增强层(315)。第一基底(305)、第一电极层(310)、和第一多孔增强层(315)共同地构成第一催化剂涂覆基底(320)。第一离聚物层(325)是在第一多孔增强层(315)上，膜多孔增强层(330)是在第一离聚物层(325)上。第二离聚物层(335)是在膜多孔增强层(330)上。第一离聚物层(325)、膜多孔增强层(330)、和第二离聚物层(335)共同地构成增强的膜层(340)。任选的粘性离聚物层(350)是在第二离聚物层(335)上，第二催化剂涂覆基底(345)是在任选的粘性离聚物层(350)上。
参照图4，描绘了制造增强的膜电极组件的示例性方法(400)。在第一基底(405)的表面上，使电极墨沉积在第一基底(405)上以形成第一电极层(410)。在湿润的情况下将第一多孔增强层(415)施加于第一电极层(410)的表面，以形成第一催化剂涂覆基底(420)。在一些实例中，在湿润的情况下第一多孔增强层(415)可被渗透或浸渍了第一电极层(410)。使离聚物溶液沉积在第一催化剂涂覆基底(420)上，以形成第一离聚物层(425)。在湿润的情况下将膜多孔增强层(430)施加于第一离聚物层(425)的表面。在一些实例中，在湿润的情况下膜多孔增强层(430)可被渗透或浸渍了第一离聚物层(425)。使第二离聚物溶液沉积在膜多孔增强层(430)上以形成第二离聚物层(435)。第一离聚物层(425)、膜多孔增强层(430)和第二离聚物层(435)形成增强的膜层(440)。在一个步骤中将第一催化剂涂覆基底(420)和增强的膜层(440)干燥。
第二催化剂涂覆基底(445)形成具有在第二催化剂涂覆基底(445)表面上的任选的粘性离聚物层(450)。第二催化剂涂覆基底(445)可包括在第二基底(446)上的第二电极层(448)。可以或者可以不利用第二多孔增强层(449)来增强第二电极层(448)。使第三离聚物溶液沉积在第二催化剂涂覆基底(445)上，以形成任选的粘性离聚物层(450)。将任选的粘性离聚物层(450)干燥。任选的粘性离聚物层(450)可用于促进第二离聚物层(435)与第二催化剂涂覆基底(445)之间的粘接。在一些实施例中，任选的粘性离聚物层(450)可用于促进第二离聚物层(435)与第二催化剂涂覆基底(445)的第二电极层之间的粘接。将具有形成在其上的增强膜层(440)的第一催化剂涂覆基底(420)与具有形成在其上的任选的粘性离聚物层(450)的第二催化剂涂覆基底(445)热压或层压到一起，以形成增强的膜电极组件(455)。
图4 中所示的增强的膜电极组件(455)具有在第一基底(405)上的第一电极层(410)、在第一电极层(410)上的第一多孔增强层(415)。第一基底(405)、第一电极层(410)、和第一多孔增强层(415)共同地构成第一催化剂涂覆基底(420)。第一离聚物层(425)是在第一多孔增强层(415)上，膜多孔增强层(430)是在第一离聚物层(425)上。第二离聚物层(435)是在膜多孔增强层(430)上。第一离聚物层(425)、膜多孔增强层(430)、和第二离聚物层(435)共同地构成增强膜层(440)。任选的粘性离聚物层(450)是在第二离聚物层(435)上，第二催化剂涂覆基底(445)是在任选的粘性离聚物层(450)上。
参照图5，描绘了制造增强的膜电极组件的示例性方法(500)。在第一基底(505)的表面上，使电极墨沉积在第一基底(505)上以形成第一电极层(510)。在湿润的情况下将第一多孔增强层(515)施加于第一电极层(510)的表面，以形成第一催化剂涂覆基底(520)。在一些实例中，在湿润的情况下第一多孔增强层(515)可被渗透或浸渍了第一电极层(510)。将第一催化剂涂覆基底(520)干燥。使离聚物溶液沉积在第一催化剂涂覆基底(520)上，以形成第一离聚物层(525)。在湿润的情况下将膜多孔增强层(530)施加于第一离聚物层(525)的表面。在一些实例中，在湿润的情况下膜多孔增强层(530)可被渗透或浸渍了第一离聚物层(525)。将膜多孔增强层(530)和第一离聚物层(525)干燥。第一离聚物层(525)和膜多孔增强层(530)形成增强膜层(540)。
第二催化剂涂覆基底(545)形成具有在第二催化剂涂覆基底(545)表面上的任选的粘性离聚物层(550)。第二催化剂涂覆基底(545)可包括在第二基底(546)上的第二电极层(548)。可以或者可以不利用第二多孔增强层(549)来增强第二电极层548。使第二离聚物溶液沉积在第二催化剂涂覆基底(545)上，以形成任选的粘性离聚物层(550)。将任选的粘性离聚物层(550)干燥。任选的粘性离聚物层(550)可用于促进膜多孔增强层(530)与第二催化剂涂覆基底(545)之间的粘接。在一些实施例中，任选的粘性离聚物层(550)可用于促进膜多孔增强层(530)与第二催化剂涂覆基底(545)的第二电极层之间的粘接。将具有形成在其上的增强膜层(540)的第一催化剂涂覆基底(520)与具有形成在其上的任选的粘性离聚物层(550)的第二催化剂涂覆基底(545)热压或层压在一起，以形成增强的膜电极组件(555)。
图5中所示的增强的膜电极组件(555)具有在第一基底(505)上的第一电极层(510)、在第一电极层(510)上的第一多孔增强层(515)。第一基底(505)、第一电极层(510)、和第一多孔增强层(515) 共同地构成第一催化剂涂覆基底(520)。第一离聚物层(525)是在第一多孔增强层(515)上，膜多孔增强层(530)是在第一离聚物层(525)上。第一离聚物层(525)和膜多孔增强层(530)共同地构成增强膜层(540)。任选的粘性离聚物层(550)是在增强膜层(540)的膜多孔增强层(530)上，第二催化剂涂覆基底(545)是在任选的粘性离聚物层(550)上。
参照图6，描绘了制造增强的膜电极组件的示例性方法(600)。在第一基底(605)的表面上，使电极墨沉积在第一基底(605)上以形成第一电极层(610)。在湿润的情况下将第一多孔增强层(615)施加于第一电极层(610)的表面，以形成第一催化剂涂覆基底(620)。在一些实例中，在湿润的情况下第一多孔增强层(615)可被渗透或浸渍了第一电极层(610)。使离聚物溶液沉积在第一催化剂涂覆基底(620)上，以形成第一离聚物层(625)。在湿润的情况下将膜多孔增强层(630)施加于第一离聚物层(625)的表面上。在一些实例中，在湿润的情况下膜多孔增强层(630)可被渗透或浸渍了第一离聚物层(625)。将第一催化剂涂覆基底(620)、第一离聚物层(625)和膜多孔增强层(630)干燥。第一离聚物层(625)和膜多孔增强层(630)形成增强膜层(640)。
第二催化剂涂覆基底(645)形成具有任选的在第二催化剂涂覆基底(645)的表面上的粘性离聚物层(650)。第二催化剂涂覆基底(645)可包括在第二基底(646)上的第二电极层(648)。可以或者可以不利用第二多孔增强层(649)来增强第二电极层(648)。使第二离聚物溶液沉积在第二催化剂涂覆基底(645)上，以形成任选的粘性离聚物层(650)。将任选的粘性离聚物层(650)干燥。任选的粘性离聚物层(650)可用于促进膜多孔增强层(630)与第二催化剂涂覆基底(645)之间的粘接。在一些实施例中，任选的粘性离聚物层(650)可用于促进膜多孔增强层(630)与第二催化剂涂覆基底(645)的第二电极层之间的粘接。将具有形成在其上的增强膜层(640)的第一催化剂涂覆基底(620)与具有形成在其上的任选的粘性离聚物层(150)的第二催化剂涂覆基底(645)热压或层压到一起，以形成增强的膜电极组件(655)。
图6中所示的增强的膜电极组件(655)具有在第一基底(605)上的第一电极层(610)、在第一电极层(610)上的第一多孔增强层(615)。第一基底(605)、第一电极层(610)、和第一多孔增强层(615)共同地构成第一催化剂涂覆基底(620)。第一离聚物层(625)是在第一多孔增强层(615)上，膜多孔增强层(630)是在第一离聚物层(625)上。第一离聚物层(625)和膜多孔增强层(630)共同地构成增强膜层(640)。任选的粘性离聚物层(650)是在膜多孔增强层(630)上，第二催化剂涂覆基底(645)是在任选的粘性离聚物层(650)上。
参照图7，示出了制造增强的膜电极组件的示例性方法(700)。在第一基底(705)的表面上，使电极墨沉积在第一基底(705)上以形成第一电极层(710)。在湿润的情况下将第一多孔增强层(715)施加于第一电极层(710)的表面，以形成第一催化剂涂覆基底(720)。在一些实例中，在湿润的情况下第一多孔增强层(715)可被渗透或浸渍了第一电极层(710)。将第一催化剂涂覆基底(720)干燥。使离聚物溶液沉积在第一催化剂涂覆基底(720)上，以形成第一离聚物层(725)。在湿润的情况下将膜多孔增强层(730)施加于第一离聚物层(725)的表面。在一些实例中，在湿润的情况下膜多孔增强层(730)可被渗透或浸渍了第一离聚物层(725)。将第一离聚物层(725)和膜多孔增强层(730)干燥。
提供第二催化剂涂覆基底(745)。第二催化剂涂覆基底(745)可包括在第二基底(746)上的第二电极层(748)。可以或者可以不利用第二多孔增强层(749)来增强第二电极层(748)。使第二离聚物溶液沉积在第二催化剂涂覆基底(745)上，以形成第二离聚物层(735)。将第二离聚物层(735)干燥。将具有形成在其上的第一离聚物层(725)和膜多孔增强层(730)的第一催化剂涂覆基底(720)与具有形成在其上的第二离聚物层(735)的第二催化剂涂覆基底(745)热压或层压到一起，以形成增强的膜电极组件(755)。
图7中所示的增强的膜电极组件(755)具有在第一基底(705)上的第一电极层(710)、在第一电极层(710)上的第一多孔增强层(715)。第一基底(705)、第一电极层(710)、和第一多孔增强层(715)共同地构成第一催化剂涂覆基底(720)。第一离聚物层(725)是在第一多孔增强层(715)上，膜多孔增强层(730)是在第一离聚物层(725)上。第二离聚物层(735)是在膜多孔增强层(730)上。第一离聚物层(725)、膜多孔增强层(730)、和第二离聚物层(735)共同地构成增强膜层(740)。第二催化剂涂覆基底(745)是在第二离聚物层(735)上。
参照图8，描绘了制造增强的膜电极组件的示例性方法(800)。在第一基底(805)的表面上，使电极墨使沉积在第一基底(805)上以形成第一电极层(810)。在湿润的情况下将第一多孔增强层(815)施加于第一电极层(810)的表面，以形成第一催化剂涂覆基底(820)。在一些实例中，在湿润的情况下第一多孔增强层(815)可被渗透或浸渍了第一电极层(810)。使离聚物溶液沉积在第一催化剂涂覆基底(820)上，以形成第一离聚物层(825)。在湿润的情况下将膜多孔增强层(830)涂覆于第一离聚物层(825)的表面。在一些实例中，在湿润的情况下膜多孔增强层(830)可被渗透或浸渍了第一离聚物层(825)。将第一催化剂涂覆基底(820)、第一离聚物层(825)和膜多孔增强层(830)干燥。
提供第二催化剂涂覆基底(845)。第二催化剂涂覆基底(845)可包括在第二基底(846)上的第二电极层(848)。可以或者可以不利用第二多孔增强层(849)来增强第二电极层(848)。使第二离聚物溶液沉积在第二催化剂涂覆基底(845)上，以形成第二离聚物层(835)。将第二离聚物层(835)干燥。将具有形成在其上的第一离聚物层(825)和膜多孔增强层(830)的第一催化剂涂覆基底(820)与具有形成在其上的第二离聚物层(835)的第二催化剂涂覆基底(845)热压或层压到一起，以形成增强的膜电极组件(855)。
图8中所示的增强的膜电极组件(855)具有在第一基底(805)上的第一电极层(810)、在第一电极层(810)上的第一多孔增强层(815)。第一基底(805)、第一电极层(810)、和第一多孔增强层(815) 共同地构成第一催化剂涂覆基底(820)。第一离聚物层(825)是在第一多孔增强层(815)上，膜多孔增强层(830)是在第一离聚物层(825)上。第二离聚物层(835)是在膜多孔增强层(830)上。第一离聚物层(825)、膜多孔增强层(830)、和第二离聚物层(835)共同地构成增强的膜层(840)。第二催化剂涂覆基底(845)是在第二离聚物层(835)上。
通过以下的非限制性实例进一步说明本文中所述的实施例。
实例
本发明的MEA
将含有负载量为0.2 mg Pt/cm2的Pt合金催化剂的阴极催化剂墨直接地涂覆于气体扩散介质(GDM)上以形成湿阴极层。在涂覆阴极墨之后，立即将一张膨体聚四氟乙烯(ePTFE)膜(Tetratex®，由Donaldson公司提供)层压到湿阴极层的表面，以形成增强的阴极层。将该增强的阴极层在红外(IR)灯下于400℉干燥10分钟。
将含有碳酸铈(III)的Nafion® D2020离聚物溶液(可从E.I.DuPont de Nemours and Company(美国特拉华州威尔明顿)获得)的第一薄膜涂覆于经干燥的催化剂涂覆基底的表面上，以形成具有约80微米的湿厚度的第一湿离聚物层。在涂覆后立即将一张膨体聚四氟乙烯(ePTFE)膜层压到第一湿离聚物层的表面，以形成增强的离聚物层。将该增强的离聚物层在红外灯下于400℉干燥6分钟，结果形成具有约6-7微米的干厚度的增强的离聚物层。
将含有碳酸铈(III)的Nafion® D2020离聚物溶液的第二薄膜涂覆于经干燥的催化剂涂覆基底的表面上，以形成具有约60微米的湿厚度的第二湿离聚物层。将第二湿离聚物层在红外灯下于400℉干燥6分钟，以形成具有约4-5微米的干厚度的第二离聚物层。增强的阴极层、增强的离聚物层、和第二离聚物层共同地构成增强的阴极涂覆基底。将增强的阴极涂覆基底在惰性的氮气气氛中于200℃退火15分钟。
将含有负载量为0.05 mg Pt/cm2的Pt/石墨化Vulcan催化剂的阳极催化剂墨直接地涂覆于气体扩散介质(GDM)上，以形成湿阳极层。将Nafion® D2020离聚物溶液的薄膜涂覆于湿阳极层上，以形成离聚物层。基底(GDM)、阳极层和离聚物层共同地构成阳极涂覆基底。将阳极涂覆基底在红外灯下于400℉干燥4分钟，由此形成具有约0.9微米的干厚度的离聚物层。
将阴极涂覆基底与阳极涂覆基底热压到一起，以形成本发明的膜电极组件(MEA)。将本发明的MEA进一步组装到组合电极组件，以形成本发明的组合电极组件(UEA)。
参照MEA
将含有Pt合金催化剂(负载量为0.2 mg Pt/cm2)的阴极催化剂墨直接地涂覆于气体扩散介质(GDM)上，以形成阴极层。将该阴极层在红外(IR)灯下于400℉干燥4分钟。将含有碳酸铈(III)的Nafion® D2020离聚物溶液的薄膜涂覆于阴极层的表面上，以形成湿离聚物层。基底(GDM)、阴极层和离聚物层共同地构成阴极涂覆基底。将阴极涂覆基底在红外灯下于 400℉干燥4分钟，由此形成具有约0.9微米的干厚度的离聚物层。
将含有Pt/石墨化Vulcan催化剂(负载量为0.05 mg Pt/cm2)的阳极催化剂墨直接地涂覆于气体扩散介质(GDM)上，以形成阳极层。将Nafion® D2020离聚物溶液的薄膜涂覆于阳极层上，以形成离聚物层。基底(GDM)、阳极层和离聚物层共同地构成阳极涂覆的基底。将该阳极涂覆基底在红外灯下于400℉干燥4分钟，由此形成具有约0.9微米的干厚度的离聚物层。
将阴极涂覆基底、独立的厚度为18微米的增强PFSA膜、和阳极涂覆基底热压到一起，以形成参照MEA。以与本发明MEA相同的方式将该参照MEA组装到组合电极组件中，以形成参照UEA。
本发明的UEA和参照UEA经历长期性能和耐久性测试。参照图9，描绘了极化曲线，该极化曲线显示随时间推移的燃料电池性能。以1.5 A/cm2 的电流密度、80℃的电池组温度、1.5的阳极化学计量比、1.8的阴极化学计量比、和191 kPa的绝对出口压力，进行用于极化曲线的测试。如图中所示，虽然参照MEA在开始时具有略微较好的电池电压性能，但本发明的MEA最终显示出较慢的电池电压退化率，因而在大约1750小时后本发明的MEA与参照MEA之间性能大致相同。
参照图10，根据美国汽车研究公司理事会的用于PEM燃料电池的加速测试和极化曲线协议、用于确定电池/电池组耐久性的协议进行电池组耐久性测试。用于氢气横越（hydrogen crossover）的测试过程是基于对穿过膜的氢分子的电化学检测。为了该目的，在阳极侧用氢气并在阴极侧用空气吹洗组合电极组件(UEA)。使用该协议，通过将电流密度保持稳定在0.4 A/cm2 ，以1.5的化学计量比使氢气流动到阳极，以4.0的化学计量比使空气流动到阴极，134 kPa(abs)的出口压力、70℃的运行温度持续15分钟，而使UEA变为平衡状态。在15分钟的平衡后，电流密度下降至0 A/cm2(OCV-开路电池电压)，气体仍然流动并保持3分钟。在3分钟后，将流向阴极侧的空气关闭，随时间的变化记录电池电压。电池电压将随着氢渗透而下降，这是膜退化的指标。具体地，电池电压下降至100 mV所用的时间是从这些数据获得，该时间用于将各独立电池与其它电池比较以及观察膜的长期耐久性。小于20秒的值通常被认为是破坏极限。如图10中描绘的表中所示，测量了在运行数小时后对于本发明UEA下降至100 mV的运行时间。在运行时间超过2000小时之后，四个UEA显示下降至100 mV的时间减小；然而，该时间的减小在可接受的极限内并且表明本发明的MEA可以耐久使用超过2400小时。
已参考本发明的具体实施例详细描述了本发明，显而易见的是在不背离所附权利要求中所定义的本发明范围的前提下修改和变更是可能发生的。更具体地，尽管在本文中将本发明的一些方面确定为优选的或特别有利的，但可以想到本发明未必局限于本发明的这些优选方面。

Claims (10)

1. 一种制造增强的膜电极组件的方法，包括：
使电极墨沉积在第一基底上，以形成第一电极层；
将第一多孔增强层施加于所述第一电极层的表面上，以形成第一催化剂涂覆基底；
使第一离聚物溶液沉积在所述第一催化剂涂覆基底上，以形成第一离聚物层；以及
将膜多孔增强层涂覆于所述第一离聚物层的表面上，以形成增强的膜层。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括：
使第二离聚物溶液沉积在所述膜多孔增强层上以形成第二离聚物层，其中所述第一离聚物层、膜多孔增强层和第二离聚物层共同地形成所述增强的膜层；
将所述增强的膜层干燥；以及
将所述增强的膜层的第二离聚物层结合到第二催化剂涂覆基底的电极层，以形成所述增强的膜电极组件。
3. 如权利要求2所述的方法，其中所述方法还包括：在所述第二催化剂涂覆基底的电极层上形成粘性离聚物层，并且其中第二离聚物层被结合到所述第二催化剂涂覆基底，使得所述粘性离聚物层位于所述第二离聚物层和所述第二催化剂涂覆基底的电极层之间并促进这两层之间的粘接。
4. 如权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括：
使第二离聚物溶液沉积在第二催化剂涂覆基底的电极层上，以便在所述第二催化剂涂覆基底的电极层上形成第二离聚物层；以及
将所述第二离聚物层结合到所述增强的膜层，以形成所述增强的膜电极组件。
5. 如权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括：
将所述增强的膜层结合到第二催化剂涂覆基底的电极层，以形成所述增强的膜电极组件。
6. 如权利要求5所述的方法，其中所述方法还包括：在所述第二催化剂涂覆基底的电极层上形成粘性离聚物层，并且其中将所述增强的膜层结合到所述第二催化剂涂覆基底，使得所述粘性离聚物层位于所述增强的膜层和所述第二催化剂涂覆基底的电极层之间并促进这两层之间的粘接。
7. 如权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括：用在溶剂中包含从约0.2至约2重量%的磺化全氟环丁烷、全氟磺酸离聚物或者其混合物的表面活性剂溶液，对所述膜多孔增强层进行预处理；以及将所述膜多孔增强层干燥。
8. 如权利要求1所述的方法，其中所述第一基底是贴花基底，并且所述方法还包括将所述电极层从所述贴花基底转印到无微孔层的气体扩散层、带微孔层的气体扩散介质、或者自支撑的微孔层。
9. 一种增强的电极组件，包括：
第一催化剂涂覆基底，所述第一催化剂涂覆基底包括在第一基底上的第一电极层、和在所述第一电极层上的第一多孔增强层；以及
位于所述第一催化剂涂覆基底上的增强膜层，所述增强膜层包括在所述第一多孔增强层上的第一离聚物层、和在所述第一离聚物层上的膜多孔增强层。
10. 一种燃料电池，包括：
增强的电极组件，所述增强的电极组件包括：
第一催化剂涂覆基底，所述第一催化剂涂覆基底包括在第一基底上的第一电极层、和在所述第一电极层上的第一多孔增强层；
位于所述第一催化剂涂覆基底上的增强的膜层，所述增强的膜层包括第一离聚物层和在所述第一离聚物层上的膜多孔增强层；
位于所述增强的膜层上的第二催化剂涂覆基底，所述第二催化剂涂覆基底包括在第二基底上的第二电极层和在所述第二电极层上的第二多孔增强层；以及
一对板，所述一对板位于所述第一催化剂涂覆基底和所述第二催化剂涂覆基底的基底侧上。
CN201410094452.0A 2013-03-15 2014-03-14 增强的电极组件 Pending CN104051747A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/836,894 2013-03-15
US13/836,894 US9722269B2 (en) 2008-01-11 2013-03-15 Reinforced electrode assembly

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104051747A true CN104051747A (zh) 2014-09-17

Family

ID=51419053

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410094452.0A Pending CN104051747A (zh) 2013-03-15 2014-03-14 增强的电极组件

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN104051747A (zh)
DE (1) DE102014102894A1 (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109638298A (zh) * 2018-12-07 2019-04-16 清华大学 一种3d结构一体化膜电极制备方法
CN112448009A (zh) * 2019-09-05 2021-03-05 现代自动车株式会社 用于燃料电池的聚合物电解质膜及其制造方法
CN112751065A (zh) * 2019-10-31 2021-05-04 现代自动车株式会社 用于燃料电池的膜-电极组件及其制造方法
CN112838251A (zh) * 2021-01-25 2021-05-25 武汉绿知行环保科技有限公司 一种燃料电池膜电极及其制备方法
CN113451626A (zh) * 2020-03-26 2021-09-28 现代自动车株式会社 制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法和由其制造的用于燃料电池的聚合物电解质膜

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019200964A1 (de) 2019-01-25 2020-07-30 Audi Ag Verfahren zur Herstellung einer Elektrode und Elektrode für eine Brennstoffzelle

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101483243A (zh) * 2008-01-11 2009-07-15 通用汽车环球科技运作公司 一种使用气体扩散电极作为基底的质子交换膜的制造方法
US20100043954A1 (en) * 2008-06-10 2010-02-25 Asahi Glass Company, Limited Process for forming catalyst layer, and process for producing membrane/electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
CN102593468A (zh) * 2011-01-13 2012-07-18 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于减少燃料电池组件中龟裂的湿法层压工艺

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101483243A (zh) * 2008-01-11 2009-07-15 通用汽车环球科技运作公司 一种使用气体扩散电极作为基底的质子交换膜的制造方法
US20100043954A1 (en) * 2008-06-10 2010-02-25 Asahi Glass Company, Limited Process for forming catalyst layer, and process for producing membrane/electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
CN102593468A (zh) * 2011-01-13 2012-07-18 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于减少燃料电池组件中龟裂的湿法层压工艺

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109638298A (zh) * 2018-12-07 2019-04-16 清华大学 一种3d结构一体化膜电极制备方法
CN112448009A (zh) * 2019-09-05 2021-03-05 现代自动车株式会社 用于燃料电池的聚合物电解质膜及其制造方法
CN112751065A (zh) * 2019-10-31 2021-05-04 现代自动车株式会社 用于燃料电池的膜-电极组件及其制造方法
CN113451626A (zh) * 2020-03-26 2021-09-28 现代自动车株式会社 制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法和由其制造的用于燃料电池的聚合物电解质膜
CN113451626B (zh) * 2020-03-26 2024-04-16 现代自动车株式会社 制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法和由其制造的用于燃料电池的聚合物电解质膜
CN112838251A (zh) * 2021-01-25 2021-05-25 武汉绿知行环保科技有限公司 一种燃料电池膜电极及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE102014102894A1 (de) 2014-09-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10454122B2 (en) Reinforced electrode assembly
US7141270B2 (en) Method for the production of membrane electrode assemblies for fuel cells
EP2190047B1 (en) Reinforced solid polymer electrolyte composite membrane, membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell, and solid polymer fuel cell
EP1856753B1 (en) Method for reducing degradation in a fuel cell
US9450254B2 (en) Gas diffusion layer for fuel cell vehicle with improved operational stability
US20040234839A1 (en) Electrode catalyst layer for fuel cell
WO2002073721A1 (en) Gas diffusion electrode and fuel cell using this
CN104051747A (zh) 增强的电极组件
Abdelkareem et al. Effect of black catalyst ionomer content on the performance of passive DMFC
US9780399B2 (en) Electrode assembly with integrated reinforcement layer
CA2767891A1 (en) Gas diffusion layer member for solid polymer type fuel cell and solid polymer type fuel cell
JP5532630B2 (ja) 膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池
JP2010021056A (ja) 燃料電池およびその製造方法
JP2010505222A (ja) ガス拡散電極用構造体
US8802329B2 (en) Electrode containing nanostructured thin catalytic layers and method of making
CN111244478B (zh) 制备无裂纹催化剂涂布膜的方法、催化剂涂布膜及膜电极
JP2009524178A (ja) 多孔質フリット系複合陽子交換膜を有する燃料電池
WO2019030557A1 (en) AUTONOMOUS OXYGEN EVOLUTION REACTION ANODE CATALYST LAYERS FOR FUEL CELLS
JP6571961B2 (ja) 燃料電池用電極、燃料電池用膜電極複合体および燃料電池
Nishikawa et al. Preparation of the electrode for high temperature PEFCs using novel polymer electrolytes based on organic/inorganic nanohybrids
CN104051745A (zh) 燃料电池部件的同时涂覆
KR101312971B1 (ko) 불소계 이오노모를 이용하여 표면 개질한 탄화수소계 고분자 전해질 분리막, 막 전극 접합체 및 연료전지
US8430985B2 (en) Microporous layer assembly and method of making the same
KR100689105B1 (ko) 캐필러리 공정을 이용한 연료전지의 촉매층 제조 방법
US9123963B2 (en) Direct coated membrane electrode assembly on external reinforcement for fuel cells

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
AD01 Patent right deemed abandoned

Effective date of abandoning: 20171114

AD01 Patent right deemed abandoned