CN105050717A - 燃料电池膜电极组件制作过程 - Google Patents

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Abstract

一种处理催化剂墨的示例性方法包括对催化剂墨进行超声波处理。示例性方法包括高度剪切混合所述催化剂墨。

Description

燃料电池膜电极组件制作过程
技术领域
本公开的主题总体而言涉及燃料电池。更特定而言，本公开的主题涉及制作用于燃料电池中的膜电极组件的过程。
背景技术
燃料电池用于发电。燃料电池便于促成在诸如氢气与氧气这样的反应物之间的电化学反应。燃料电池通常包括膜电极组件，其中发生电化学反应。膜电极组件通常包括了在阳极电极与阴极电极之间的膜。
某些燃料电池布置包括了通过将催化剂溶液沉积到膜上而建立/形成的膜电极组件。一层所沉积的催化剂材料在膜的相对侧上形成了电极。然而，这种方案提出多种挑战，这些挑战妨碍以经济方式获得具有所希望性能特征的膜电极组件。
发明内容
一种处理催化剂墨的示例性方法包括对催化剂墨进行超声波处理。示例性方法包括高剪切混合所述催化剂墨。
制备膜电极组件的另一示例性方法包括对催化剂墨进行超声波处理。这种示例性方法包括高剪切混合所述催化剂墨。在超声波处理和高剪切混合之后，催化剂墨被沉积到膜上以在膜上形成催化剂层。
从下文的详细描述，所披露示例实施例的各种特点和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。伴随详细描述的附图可如下简要地描述。
附图说明
图1是总结了示例催化剂墨处理技术和可选的膜电极组件制作步骤的流程图。
图2示意性地示出了根据本发明的一实施例适用于处理催化剂墨和可选的膜电极组件制作的布置。
具体实施方式
膜电极组件包括了膜和在膜的至少一侧上的至少一个电极层。通过将催化剂墨沉积到膜上而建立/形成了电极层。处理所述催化剂墨从而使得所得到的组件提供适用于很多种操作条件的性能特征并且甚至利用相对低的贵金属加载而实现了这点。
图1包括总结了示例方案的流程图20。这个示例包括了在22对催化剂墨进行超声波处理。示例催化剂墨包括催化剂相、离聚物相和缓冲剂或溶剂。对催化剂墨进行超声波处理通过将团块（agglomerate）粒度分解成所希望的范围而减小了粒度。一个示例包括使用超声波处理直到团块粒度低于1微米。
高剪切混合在附图标记24处使用。高剪切混合在催化剂粒子上形成了所希望量的离聚物涂层。催化剂墨然后准备就绪用于各种用途。
图1的示例包括了在附图标记26的可选步骤，其中经处理的催化剂墨被沉积在基板上以建立/形成电极层。
图2示意性地示出了用于执行在图1的流程图20中所总结的过程的布置。在这个示例中，通过将包含催化剂墨32的小瓶30放置于超声波浴34中来实现了超声波处理。在此示例中，超声波浴34被填充有液体36诸如水。由38示意性地示出的超声波振动用于对小瓶30内的催化剂墨32进行超声波处理或超声波混合。一个示例包括了对催化剂墨进行超声波处理持续一段低于一小时到多达五小时的时段。这将催化剂粒度分解为所希望的粒度范围。
由高剪切混合装置40在图2的示例中实现了高剪切混合，高剪切混合装置40包括了同心圆筒42和44。如在46处示意性地示出的圆筒之间的相对旋转在混合期间施加了高剪切力。这种高剪切混合使得离聚物在催化剂墨内的催化剂粒子上分布。在某些示例中，仅需要数分钟的高剪切混合。某些示例包括少于10分钟的高剪切混合。
图2包括经处理的催化剂墨的可选或可能使用。这个示例包括了在26处用于制作诸如燃料电池部件这样的物品的沉积技术。沉积装置诸如喷洒器50沉积了在52示意性地示出的催化剂墨以在基板56上形成层54。在一示例中，基板56包括膜、气体扩散层和贴花（decal），诸如聚四氟乙烯，这用作燃料电池膜电极组件。
图示过程的超声波处理部分在高剪切混合之前执行。可能在对液体进行超声波处理之前执行高剪切混合。当首先执行超声波处理时，其在高剪切混合期间发生的离聚物涂层之前提供粒度分解。对催化剂墨的超声波处理和高剪切混合的组合导致了催化剂墨具有所希望的性质。例如，所披露的技术得到了适用于制造表现优良的膜电极组件的催化剂墨和与制作过程相关联的有所改进的经济性。
本发明包括以下发现：仅超声波处理并未导致利用离聚物对催化剂粒子充分的覆盖。为了良好地利用催化剂，充分覆盖是必需的。这种超声波处理和高剪切混合的组合提供了充分离聚物覆盖。这种超声波处理提供了粒子减小，而高剪切混合提供了良好的离聚物分布。这种组合导致出乎意料地有所改进的催化剂利用。例如，与由其它过程所制备的组件相比，根据本发明的实施例而制备的膜电极组件以较低电流得到了更好的催化剂利用。在中电流和高电流操作条件改进了离子运输。此外，通过具有更薄的离聚物膜（更好地限制的电流）而改进了运输。
图示示例的一个特征在于超声波处理首先在催化剂墨内形成了最大粒子表面积。在超声波处理之后利用高剪切混合显著地改进了在表面积上的离聚物覆盖。此外，在超声波处理之后所执行的高剪切混合并未造成粒子的任何再团聚/再结块。换言之，根据图示示例在超声波处理之后利用高剪切混合并未增加粒度超过由超声波处理所实现的粒度。
所披露的示例技术允许在活性催化剂中使用更少量的贵金属。所披露的技术提供了即使利用相对较低量贵金属诸如铂也避免较低性能特征的意外优点。
所披露的示例技术避免了如利用传统球磨方案可能发生的对催化剂的损坏。所披露的示例技术适用于敏感的结构，如基于芯壳的催化剂或者包括很小铂粒子的组合物/组分。此外，所披露的技术提供了制造经济性，因为其比包括滚压/轧制的低能量方法更快，但其强度低于其它相对快速方法诸如行星式球磨。不损坏催化剂的更快的过程导致有所改进的制作经济性。
前文的描述是示例性的而非限制性质。对于所披露的示例的变化和修改对于本领域技术人员可以变得显而易见，其未必偏离本发明的本质。仅可以通过学习所附权利要求来确定给予本发明的法律保护范围。

Claims (10)

1.一种用于处理催化剂墨的方法，包括以下步骤：
对催化剂墨进行超声波处理；以及
高剪切混合所述催化剂墨。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括：在执行所述高剪切混合之前执行所述超声波处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括：执行所述超声波处理以实现大约一微米的催化剂粒度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化剂墨包括催化剂相、离聚物相和缓冲剂。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括：执行所述超声波处理持续小于一小时的时段。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括：执行所述超声波处理持续小于五小时的时段。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括：执行所述高剪切混合持续小于约十分钟的时段。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括：将所述催化剂墨沉积到基板上。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所沉积的催化剂墨和所述基板包括燃料电池部件。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述燃料电池部件包括膜电极组件。
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