CN109148897A - 用于防止离聚物渗透的基底热控制 - Google Patents

用于防止离聚物渗透的基底热控制 Download PDF

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CN109148897A CN201810594843.7A CN201810594843A CN109148897A CN 109148897 A CN109148897 A CN 109148897A CN 201810594843 A CN201810594843 A CN 201810594843A CN 109148897 A CN109148897 A CN 109148897A
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Abstract

本公开的系统和方法包括提供多孔基底、加热多孔基底以产生预热基底、将电极油墨施加到预热基底上以产生涂覆基底，并且对涂覆基底的电极油墨进行干燥以在多孔基底上产生电极。预热基底具有大于23℃的温度。施加通过涂覆机构进行。电极油墨包括分散在溶剂中的催化剂和离聚物。干燥通过干燥机构进行。

Description

用于防止离聚物渗透的基底热控制
背景技术
本公开涉及燃料电池领域，并且更具体地涉及用于抑制离聚物渗透到多孔基底中的系统和方法。
在各种应用中，燃料电池系统可用作提供电能的电源。所产生的电能可以直接用于向诸如电动机之类的设备供电。另外地或替代地，所产生的电能可以采用例如电池进行存储，供以后使用。
在某些应用中，为了向建筑物、住宅等供应电力，燃料电池被结合到固定结构中。在某些应用中，燃料电池被结合到智能电话、摄像机、计算机等设备中。在某些应用中，燃料电池被结合到车辆中，从而提供或补给动力。
催化剂油墨用于制造燃料电池的电极。催化剂油墨包括以特定比率悬浮于一种或多种溶剂(比如乙醇和水的混合物)中的催化剂粉末和离聚物。然后再将催化剂油墨施加到多孔材料上，比如气体扩散层(GDL)。当催化剂油墨在GDL上铺开之后，在烘箱中对油墨进行烘干，除去电极上的溶剂。然而，潮湿的催化剂油墨的铺开会使得电极油墨内的离聚物进入到多孔GDL材料中，几乎损失了约50％。为了减少离聚物渗透，采用的是富含乙醇的电极油墨，例如按体积计75％的乙醇和25％的水。
发明内容
期望对电极中的离聚物含量进行优化并抑制过量的离聚物渗透到多孔层中。在一些方面，在施加催化剂油墨之前，对气体扩散介质等多孔基底进行预加热，由此抑制过量的离聚物渗透到多孔基底中。
根据本公开的多个方面，一种方法包括提供多孔基底，加热多孔基底以产生预热基底，将电极油墨施加到预热基底上以产生涂覆基底，并且对涂覆基底的电极油墨进行干燥以在多孔基底上产生电极。预热基底具有大于23℃的温度。施加通过涂覆机构进行。电极油墨包括分散在溶剂中的催化剂和离聚物。干燥通过干燥机构进行。
根据本公开的其他方面，其中电极中离聚物与催化剂按体积计的第一比率处于电极油墨中离聚物与催化剂按体积计的第二比率的15％以内。
根据本公开的其他方面，其中干燥机构是第二加热机构。
根据本公开的其他方面，其中电极油墨包括第一量的离聚物。电极油墨包括第二量的离聚物。并且第二量不小于第一量的70％。
根据本公开的其他方面，其中电极油墨包括第一量的离聚物且电极油墨包括第二量的离聚物，并且第二量不小于第一量的90％。
根据本公开的其他方面，其中温度大于约50℃。
根据本公开的其他方面，其中温度大于约80℃。
根据本公开的其他方面，其中电极油墨的离聚物从电极迁移到多孔基底中不超过约20μm。
根据本公开的其他方面，其中电极油墨的离聚物从电极迁移到多孔基底中不超过约10μm。
根据本公开的多个方面，一种系统包括加热机构、设置在加热机构下游的涂覆机构以及设置在涂覆机构下游的干燥机构。加热机构配置为加热多孔基底以产生预热基底。预热基底具有大于23℃的温度。涂覆机构包括配置为将电极油墨施加到预热基底的施加器。电极油墨包括分散在溶剂中的催化剂和离聚物，从而产生涂覆基底。干燥机构配置为对涂覆基底的电极油墨进行干燥以在多孔基底上产生电极。
根据本公开的其他方面，其中电极中离聚物与催化剂按体积计的第一比率处于电极油墨中离聚物与催化剂按体积计的第二比率的15％以内。
根据本公开的其他方面，其中干燥机构是第二加热机构。
根据本公开的其他方面，其中电极油墨包括第一量的离聚物且电极油墨包括第二量的离聚物，并且第二量不小于第一量的70％。
根据本公开的其他方面，其中电极油墨包括第一量的离聚物且电极油墨包括第二量的离聚物，并且第二量不小于第一量的90％。
根据本公开的其他方面，其中温度大于约50℃。
根据本公开的其他方面，其中温度大于约80℃。
根据本公开的其他方面，其中电极油墨的离聚物从电极迁移到多孔基底中不超过约20μm。
根据本公开的其他方面，其中电极油墨的离聚物从电极迁移到多孔基底中不超过约10μm。
结合附图，通过以下对用于执行本公开的最佳方式的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点容易变得显而易见。
附图说明
这些附图是说明性的，并不旨在限制由权利要求限定的主题。示例性方面在下面的详细描述中进行讨论并且在附图中示出，在附图中：
图1是根据本公开的多个方面的包括燃料电池堆的燃料电池系统的示意图；
图2是图1的燃料电池堆的示意性分解图；
图3是图2的燃料电池堆的一部分的示意性横截面图；
图4是根据本公开的多个方面的用于在多孔基底上产生电极的示意性系统；
图5A至图5D是根据本公开的多个方面的在多孔基底上组装电极的方法的示意图。
具体实施方式
图1是配置为产生动力的燃料电池系统的示意图。燃料电池系统包括氧化剂源1、燃料源2、反应物处理系统3、燃料电池堆4、至少一个储能设备5和电机6。
氧化剂源1和燃料源2向燃料电池系统提供反应物，进而通过化学反应产生电能。如本文所用，“反应物”可以指代如上下文中规定的燃料、氧化剂或二者。反应物包括合适的燃料与氧化剂组合。例如，燃料是氢气，而氧化剂是氧气。可以采用其他燃料，例如天然气、甲醇、汽油和煤炭衍生的合成燃料。
反应物处理系统3接收来自氧化剂源1的氧化剂和/或来自燃料源2的燃料。在一些方面，反应物处理系统3将原始燃料转化为适合于燃料电池堆4的形式。例如，反应物处理系统3可以使甲醇发生反应，产生供应到燃料电池堆3的氢气。在一些方面，另外地或替代地，反应物处理系统3通过调整诸如温度、压力、湿度等因素来调节一种或多种反应物。在一些方面，可以省掉反应物处理系统3。
燃料电池堆4配置为接收来自反应物处理系统3的反应物并通过促进氧化还原反应来产生电能。例如，氢燃料可以与氧发生反应后产生电力，同时副产物为热量和水。
储能设备5配置为接收由燃料电池堆4产生的能量并将该能量提供给辅助部件。储能设备5可以存储能量以供未来使用，或者可以基本上即刻地使用能量来提供针对可能会损害辅助部件(如电机6)的功率波动的缓冲。
电机6配置为将存储在储能设备中的电能转换为做功。电机6可以用于驱动动力设备，比如车轮7。
图2是燃料电池堆4的分解图。燃料电池堆4包括多个板12、至少一个燃料电池14以及压缩构件16。多个板12可以包括板12的适当组合，例如端板18、单极板20、双极板22、其组合等。每个单极板20设置在相应的燃料电池14附近，而每个双极板22设置在一对燃料电池14之间。
压缩构件16配置为沿堆叠方向向燃料电池堆4施加压缩力。通过相邻部件之间的接触压力，压缩力将板12和燃料电池14固定就位。在一些方面，压缩构件16包括接合端板18上的结构的多根螺纹杆。通过拧紧螺杆，将压缩力沿着堆叠方向增大到期望水平，从而使得接触压力沿着相邻部件之间的密封部分分布。在一些方面，压缩构件16没有与整个燃料电池堆4接合。例如，压缩构件16可以接合两个相邻板12以向这两个板12施加压缩力，或者可以接合多个相邻板12以将压缩力施加到该多个相邻板12。
端板18设置在燃料电池堆4的顶部和底部。端板18包括设置在其上的燃料入口24a、燃料出口24c、氧化剂入口26a、氧化剂出口26c、冷却剂入口28a以及冷却剂出口28c。如本文所用，“流体”可以指代如上下文中规定的燃料、氧化剂、冷却剂或其任何组合。例如，“流体入口24a、26a、28a”可以指代如上下文中规定的燃料入口24a、氧化剂入口26a或冷却剂入口28a中的任何一种或全部，而“反应物通道24b、26b”可以指代指代如上下文中规定的燃料通道24b和氧化剂通道26b中的一种或两种。可以想到的是，某些流体入口24a、26a、28a和流体出口24c、26c、28c可以位于一个端板18上，而剩余的流体入口24a、26a、28a和流体出口24c、26c、28c位于相对的端板18上。
图3示出了燃料电池堆4的燃料电池14的横截面图。燃料电池14包括膜电极组件30以及具有可选垫圈34(图2)的气体扩散介质32。气体扩散介质32是有利于将反应物从双极板22的反应物通道24b、26b输送到膜电极组件30的多孔层。气体扩散介质32包括多孔层36和微孔层38。在一些方面，气体扩散介质32是在第一表面处限定多孔层36并且在与第一表面相对的第二表面处限定微孔层38的整体结构。可以想到的是，例如，气体扩散介质32可以仅包括多孔层36或者仅包括微孔层38。
在一些方面，气体扩散介质32配置为在膜电极组件30的整个面上提供一致的反应物局部浓度，这样使得膜电极组件30的与相邻板12的平台对齐的部分基本上接收到与膜电极组件30的与相邻板12的反应物通道24b、26b对齐的部分相同的反应物暴露。
气体扩散介质32还提供导电、导热和机械支撑效果。气体扩散介质32由合适的材料(例如聚合物或涂覆材料)形成，以便优化出理想的性能参数。在一些方面，气体扩散介质32或其部分由碳纸、碳布或含氟聚合物(如聚四氟乙烯(“PTFE”))形成。在一些方面，气体扩散介质32包括涂覆绞线的碳纸含氟聚合物。
膜电极组件30配置为通过促进反应物的还原和氧化而产生电荷。膜电极组件30包括设置在限定了阳极侧44和阴极侧46的一对电极42之间的膜40。阳极侧44上的电极42配置为促进燃料的离子化。例如，氢气在电极处被分成两个质子和两个电子。阴极侧46上的电极42配置为促进电离燃料与氧化剂的结合。例如，氧与两个质子和两个电子结合，产生一个水分子。
电极42包括例如设置在载体颗粒上并与离聚物混合的细碎催化剂。催化剂配置为催化相应反应物的半电池反应。阳极侧44的催化剂可以不同于阴极侧46的催化剂。在一些方面，阳极侧催化剂是铂，而阴极侧催化剂是镍。在一些方面，阳极侧催化剂是铂，而阴极侧催化剂是铂或者是基于铂。载体颗粒配置为增强给定量的催化剂的催化能力。例如，催化能力通过催化剂在载体颗粒的暴露表面上形成多个平台而得到增强，这样便提供了预定量的反应位点，同时与非载体催化剂相比，催化剂的量也有所减少。在一些方面，载体颗粒是碳。离聚物配置为提供向催化剂颗粒的离子传输。在一些方面，离聚物是聚苯乙烯磺酸盐、全氟磺酸聚合物、四氟乙烯以及全氟磺酸共聚物或磺化嵌段共聚物。
膜30配置为将离子从阳极侧44上的电极42传输到阴极侧46上的电极42，同时阻止电子通过其中进行转移。在一些方面，膜40是配置为通过其中转移质子的质子交换膜。
尽管所示出的阳极侧44和阴极侧46的结构和组成是关于膜40基本上对称，但可以想到的是，阳极侧44的各部件可以具备与阴极侧46的各部件不同的特性。
在一些方面，阴极侧46的气体扩散介质32也配置为将诸如水之类的产物从膜电极组件30移走，以防止发生溢流。例如，在一些方面，为了控制流向和来自膜40的水的质量流量，阴极侧46的气体扩散介质32比阳极侧的气体扩散介质更厚。另外地或替代地，在一些方面，阴极侧46的气体扩散介质32的至少一部分具备疏水性，以便控制从其中通过的水的质量流量。多孔层34、微孔层36或两者可以具备疏水性。
可以采用各种方法形成双极板22，例如，包括3D打印的增材制造或其他标准成形技术。例如，两个单极板20的背面38可以放置在一起，并且单极板20可以进行结合以形成双极板22。例如，这种结合可以通过焊接或使用粘合剂来形成。在一些方面，双极板22通过以下方式形成：将反应物通道24b、26b冲压到单片材的相对面上，同时在其间不存在冷却通道28b。
在燃料电池14的组装过程中，可以将悬浮液涂覆到多孔基底上，形成燃料电池14的最终层。例如，可以将电极油墨涂覆到气体扩散介质32上以形成电极42。电极油墨可以是包含负载的催化剂载体颗粒和溶剂中的离聚物的混合物。电极油墨可以是溶液、悬浮液、胶体或其组合。
溶剂可以是不同液体的混合物。在一些方面，电极油墨包括负载的催化剂载体颗粒和分散在有机溶剂(例如乙醇)和无机溶剂(例如水)的混合物中的离聚物。在水和乙醇的混合物中，随着水浓度的增加，所得层的质子传输阻力增大，而所得层的局部氧传输阻力减小。如本文所用，局部氧传输阻力以测量，以下称为“单位”，其中是铂纳米颗粒催化剂的表面积，而是电极的几何表面。
例如，在80℃的温度、100％的相对湿度、150kPaa的压力和2A/cm2的电流密度下测量的膜电极组件中的5cm2的催化剂涂覆膜的局部氧传输阻力对于具有80体积％的乙醇和20体积％的水的混合物的电极油墨来说是10.1s/cm，对于具有40体积％的乙醇和60体积％的水的混合物的电极油墨来说是8.2s/cm，并且对于具有20体积％的乙醇和80体积％的水的混合物的电极油墨来说是6.5s/cm。另外地，在80℃的温度、95％的相对湿度和150kPaa的压力下测量的膜电极组件中的5cm2的催化剂涂覆膜的局部氧传输阻力对于具有80体积％的乙醇和20体积％的水的混合物的电极油墨来说是68.2mΩ-cm2，对于具有40体积％的乙醇和60体积％的水的混合物的电极油墨来说是78.5mΩ-cm2，并且对于具有20体积％的乙醇和80体积％的水的混合物的电极油墨来说是83.0mΩ-cm2。
将液体涂覆到多孔基底上会使来自于液体的材料迁移到多孔基底中。例如，电极油墨内的离聚物可以渗透气体扩散介质32。而且，来自于液体的其他材料可能不会渗透多孔基底，或者可能会以与第一材料不同的速率渗透多孔基底，这将会对所得层内材料的组成和比率造成不利影响。例如，当离聚物可以渗透气体扩散介质32时，催化剂载体颗粒和催化剂基本上保留在所得电极42内。
材料从液体迁移到多孔基底中会使生产具有期望材料量的所得层所需的初始材料量增加，从而导致部件成本的上升。此外，材料与所得层的其他部件的比例也会受到影响，这是因为：如果其他材料以不同的速率迁移或者说根本不会迁移，那么，所得层的材料比率将不是最佳的。例如，电极油墨的离聚物将浸入气体扩散介质32中，而负载的催化剂载体颗粒基本上保留在电极油墨内，从而产生催化剂/离聚物比率比电极油墨的催化剂/离聚物比率更高的电极42。
有益地，根据本公开的系统和方法形成了经过优化的电极设计。根据本公开的系统和方法提高了多孔基底的温度，以减少或防止材料从液体迁移到多孔基底。这样做减少了生产期望层所需的材料总量。例如，当形成电极42时，根据本公开的系统和方法减少了所使用的离聚物的量，并且还通过使电极油墨和电极42的催化剂/离聚物比率之间的差值最小化来优化所得电极42中的催化剂/离聚物比率。
而且，根据本公开的系统和方法在所得电极42中没有出现大量离聚物损失的前提下提供了电极油墨的中等范围混合物，例如40体积％的乙醇和60体积％的水。在一些方面，未经过预热的多孔基底吸收了中等范围电极油墨中超过约45％的离聚物，而经过预热的多孔基底吸收了少于10％的离聚物，这样改善了质子传输阻力与局部氧传输阻力之间的平衡性。
本文描述的系统和方法还阻止了材料在多孔基底与所得层之间的界面处的汇集。根据本公开的系统和方法为燃料电池的阴极和阳极都提供了益处。另外，由于消除了对阳极顶涂层工艺的需求，维持阳极中足够的离聚物含量提供了其他益处。
图4示出了用于在诸如多孔层36或微孔层38的多孔基底402上产生电极42的系统400。多孔基底402被供应到系统400，并且由加热机构404加热后产生预热基底406。加热机构404可以采用辐射加热、对流加热、传导加热或其组合。在一些方面，加热机构是烘箱。预热基底406的温度高于环境温度。在一些方面，预热基底406的温度大于约23℃，从而减少渗透。在一些方面，预热基底406的温度大于约35℃，从而减少渗透。在一些方面，预热基底406的温度大于约50℃，从而减少渗透。在一些方面，预热基底406的温度大于约83℃，从而减少渗透。
将电极42以液体(诸如电极油墨408)形式施加到预热基底406，由此产生涂覆基底420。电极油墨408通过包括例如泵412和施加器414的涂覆机构410进行涂覆。泵412配置为从源接收电极油墨并将压力增大到预定量。然后，电极油墨通过管道输送到施加器414(例如喷墨打印机、丝网印刷机、柔性版印刷机、狭缝式模头等)，并将其施加到预热基底406。输送机构418将涂覆基底420运送到可选的下游工艺，例如干燥机构、分离机构、其组合等。例如，第二加热机构404可以放置在涂覆机构410的下游以至少加热多孔基底402。
图5A至图5D示出了在多孔基底(示出为微孔层38)上组装电极42的方法。应该理解，多孔基底可以是微孔层38、多孔层36或者微孔层38和多孔层36。图5A示出了对微孔层38进行加热。微孔层38可以具有或不具有贴花坯料502。在一些方面，贴花坯料502可以是聚四氟乙烯(PTFE)、膨胀型PTFE、聚酰亚胺薄膜(如聚(4,4'-氧基二亚苯基-均苯四酸酰亚胺))、其组合等。
将热量Q加入到多孔基底中以产生预热基底406，进而将预热基底406的温度升高到环境温度以上。在一些方面，预热基底406的温度大于约23℃。在一些方面，预热基底406的温度大于约50℃。在一些方面，预热基底406的温度大于约80℃。
如图5B所示，在预热基底406的温度升高到预定阈值以上之后，将电极油墨施加到预热基底406以产生涂覆基底。之后，对涂覆基底进行干燥，以在微孔层38上产生电极42。如图5C所示，然后将膜40设置在电极42上。在一些方面，贴花坯料502、微孔层38和电极42被热压到膜40上。可以采用本领域已知的温度、压力和热压时间的条件。例如，热压条件可以包括在295°F和250psi下的4分钟的加压时间。如图5D所示，如果需要，可以将贴花坯料502剥离，以使微孔层38附接到附接到膜40的电极42。在此之后，可以用第二贴花坯料重复此过程，从而在膜40的相对侧上产生这种结构。
实施例
实施例1
在各种温度下，采用预热基底来制备样品。多孔基底是厚度为35μm的微孔层。微孔层被加热到相应的预热温度。在每个微孔层达到相应的预热温度之后，将电极油墨涂覆到经过预热的微孔层上。在电极油墨变干之后，使用电子探针微量分析来测定所得电极层的离聚物保留率。结果在下表1中给出。
根据以上内容可以计算出的是，23℃下基底的催化剂油墨会要求大约1.6的离聚物/催化剂比率得出具有0.9的离聚物/催化剂比率的电极，而83℃下基底的催化剂油墨将仅要求大约1.0的离聚物/催化剂比率得出具有0.9的离聚物/催化剂比率的电极。
实施例2
选出实施例1的样品，对电极油墨材料到微孔层中的渗透进行分析。使用硫强度分布来确定离聚物的渗透，并使用铂强度分布来确定催化剂和催化剂载体颗粒的渗透。结果在下表2中给出。
尽管已经详细描述了用于执行本公开的最佳方式，但熟悉本公开所涉及的领域的技术人员将认识到用于在所附权利要求的范围内实践本公开内容的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种方法，包括：
提供多孔基底；
经由加热机构加热所述多孔基底以产生预热基底，所述预热基底具有大于23℃的温度；
经由涂覆机构将电极油墨施加到所述预热基底上以产生涂覆基底，所述电极油墨包括分散在溶剂中的催化剂和离聚物；以及
经由干燥机构对所述涂覆基底的所述电极油墨进行干燥以在所述多孔基底上产生电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电极中离聚物与催化剂按体积计的第一比率处于所述电极油墨中离聚物与催化剂按体积计的第二比率的15％以内。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电极油墨包括第一量的离聚物，所述电极油墨包括第二量的离聚物，并且所述第二量不小于所述第一量的70％。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电极油墨包括第一量的离聚物且所述电极油墨包括第二量的离聚物，并且所述第二量不小于所述第一量的90％。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述温度大于约50℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述电极油墨的所述离聚物从所述电极迁移到所述多孔基底中不超过约20μm。
7.一种系统，包括：
加热机构，所述加热机构配置为加热多孔基底以产生预热基底，所述预热基底具有大于23℃的温度；
设置在所述加热机构下游的涂覆机构，所述涂覆机构包括配置为将电极油墨施加到所述预热基底上以产生涂覆基底的施加器，所述电极油墨包括分散在溶剂中的催化剂和离聚物；以及
设置在所述涂覆机构下游的干燥机构，所述干燥机构配置为对所述涂覆基底的所述电极油墨进行干燥以在所述多孔基底上产生电极。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述电极中离聚物与催化剂按体积计的第一比率处于所述电极油墨中离聚物与催化剂按体积计的第二比率的15％以内。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述电极油墨包括第一量的离聚物且所述电极油墨包括第二量的离聚物，并且所述第二量不小于所述第一量的70％。
10.根据权利要求7所述的系统，其中所述电极油墨的所述离聚物从所述电极迁移到所述多孔基底中不超过约10μm。
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