CN116868389A - 干燃料电池电极及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了制备电极的方法(100)以及由此产生的电极。将包括催化剂(105)、离聚物(110)和聚醚(115)的粉末混合物干法混合以形成混合的混合物(135)，其可以被粉碎(140)以获得所需的粒径。形成混合的混合物与水性介质的浆料(145)，并且将浆料涂覆(150)到基底上以形成涂覆基底。涂层可以转移到另一基底或材料上用作电极，和/或涂覆基底的基底可以形成结构的一部分，例如用于燃料电池的膜电极组件。

Description

干燃料电池电极及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年12月29日提交的申请号为63/131,389的美国临时申请的权益，上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本技术涉及电极，包括混合干材料以形成电极的方法，燃料电池电极的干法制造，以及其中这种电极用于膜电极组件和燃料电池中。
背景技术
本节提供了与本发明相关的背景信息，不一定是现有技术。
燃料电池系统可在许多应用中用作电源，例如车辆和固定电力设备。这种系统可以经济地提供电力，并具有环保以及其他益处。然而，为了在商业上可行，燃料电池系统应该在运行中表现出足够的可靠性，即使当燃料电池处于其优选运行范围之外的条件时也是如此。
燃料电池转化反应物(即燃料和氧化剂)以产生电力和反应产物。质子交换膜燃料电池(PEM燃料电池)，也称为聚合物电解质膜燃料电池，可以使用包括质子交换膜(例如质子传导离聚物)的膜电极组件(MEA)，该质子交换膜设置在两个电极(即阴极和阳极)之间。催化剂通常推动电极上所需的电化学反应。可以在MEA的每一侧设置隔板或双极板(包括提供用于引导反应物穿过每个电极表面的流场的板)和/或各种类型的气体扩散介质。
在运行中，单个燃料电池在负载下的输出电压可低于1伏。因此，为了提供更大的输出电压，多个燃料电池可以堆叠在一起，并且可以串联连接以产生更高电压的燃料电池堆。端板组件可以放置在堆的每一端，以将堆保持在一起并将堆组件压缩在一起。压缩力提供各个堆组件之间的密封和足够的电接触。然后，燃料电池堆还可以与其他燃料电池堆或电源串联和/或并联连接，以形成更大的阵列，用于提供更高的电压和/或电流。
燃料电池电极可以包括一种或多种催化剂，并且可以以各种方式形成。在MEA的电极中使用的催化剂可包括一种或多种不同的金属，包括嵌入和/或负载在不同类型的介质(包括质子传导介质)上的贵金属及其合金。碳负载催化剂可用于燃料电池电极的阳极和阴极，分别用于氢氧化和氧还原反应。包括催化剂的电极可以使用各种油墨来形成，包括各种材料和颗粒的溶液和/或悬浮液。某些燃料电池电极是使用湿催化剂油墨制成的，该湿催化剂油墨使用一种或多种有机溶剂(例如，醇)来润湿、分散和更平滑地处理电极组分。
在燃料电池电极的制造中，使用有机溶剂(如醇)和湿催化剂油墨的性质形成电极存在某些问题。这种制造问题可能包括不期望的离聚物溶胀、催化剂与醇的反应产生有机副产物，该有机副产物可以被吸附到催化剂(例如铂)上，并对所得燃料电池性能产生负面影响。用于形成电极的湿催化剂油墨，例如可以具有约7重量％至约25重量％的固体，因此在涂覆或沉积到基底上形成电极后，可能需要适当地干燥。干燥涂覆的、沉积的或浇注的油墨可能导致催化剂层的开裂和/或在所得电极中形成各种缺陷。更重要的是，某些醇可以从催化剂中浸出非贵重的过渡金属合金。另一方面，制备和涂覆不含醇的水性催化剂油墨也可能是一个挑战，因为存在溶解和/或悬浮问题，以及这种催化剂油墨形成电极时的干燥问题。
因此，需要继续优化用于MEA和PEM燃料电池的电极的制造。
发明内容
与本公开内容一致，已出乎意料地发现了优化的电极、邻近质子交换膜设置的电极、包括由此形成的膜电极组件、包括这种膜电极组件的燃料电池以及制备这种制品的方法。
本技术涉及制备电极的方法。将包括催化剂、离聚物和聚醚的粉末混合物进行干法混合以形成混合的混合物。形成混合的混合物与液体载体的浆料。将浆料涂覆到基底上以形成涂覆基底。催化剂、离聚物和聚醚中的每一种可以在干法混合之前分别粉碎，和/或混合的混合物可以在形成浆料之前粉碎。
催化剂可以包括各种方面。催化剂可以包括贵金属和/或贵金属合金。贵金属可以包括铂、钌和/或铱。催化剂中可以包括碳颗粒负载的金属及其合金，其中某些实例可以包括铂/碳、铂合金/碳、氧化铱钌、氧化钌铱、氧化铱/氧化铌及其各种组合。在某些实施方案中，铂合金可以包括铂钴、铂镍和/或铂铁。
离聚物可以包括各种方面。离聚物可以包括一种或多种不同的质子传导聚合物。离聚物可以包括聚电解质，该聚电解质包括含有电中性重复单元和一部分离子化单元的共聚物。在某些实施方案中，离聚物包括磺化四氟乙烯基含氟聚合物共聚物。
聚醚可以包括各种方面。实施方案包括，其中聚醚由一种或多种聚环氧烷组成。例如，这种聚环氧烷可以通过使用环氧乙烷、环氧丙烷和/或环氧丁烷形成。特定的实施方案使用平均分子质量为至少约20,000g/mol的聚环氧乙烷。
该方法可以在其中的多个点采用各种粉碎步骤。某些实施方案包括在干法混合粉末混合物之前粉碎催化剂、离聚物和/或聚醚。可以对催化剂、离聚物和/或聚醚进行粉碎，以获得约0.25微米至约0.5微米的平均粒径。除此之外或作为替代，还可以在形成混合的混合物与液体载体的浆料之前粉碎混合的混合物，其中粉碎产生约0.25微米至约0.5微米的平均粒径。
形成和使用浆料可以包括多种方面。例如，形成混合的混合物与液体载体的浆料可以包括混合的混合物与液体载体的比例为约4:1至约6:1。可以将浆料涂覆到基底上以形成涂覆基底，包括使用槽模(slot-die)。可以使用其他涂覆和施加工艺将浆料施加到基底上。在某些实施方案中，基底为网的形式，涂覆操作可以包括将浆料连续施加到网上，其中网和浆料施加器中的一个相对于另一个移动。
浆料涂覆在其上的基底可以包括多种方面。基底可以包括离聚物，例如磺化四氟乙烯基含氟聚合物共聚物，其可用于将电极配置为阴极。基底可以包括含氟聚合物，其可以用于将电极配置为阳极。含氟聚合物的实例包括聚四氟乙烯和乙烯四氟乙烯。
可以对涂覆基底进行一个或多个额外的处理或加工步骤。涂覆基底可以与另一基底层压，可以被加热，和/或可以对其施加压力。涂覆基底的涂层的一部分可以被转移到离聚物膜的一侧上。同样地，涂覆基底的涂层的另一部分可以被转移到离聚物膜的另一侧上。以这种方式，可以形成膜电极组件，其包括根据本技术生产的两个电极。膜电极组件可以用于构建一个或多个燃料电池。
从本文提供的描述中，其他适用领域将变得显而易见。本发明内容中的描述和具体实例仅用于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文所描述的附图仅对所选定的实施方案而非全部可能的实施方案进行说明，并不旨在限制本公开的范围。
图是根据本技术制备电极的实施方案的代表性流程图，其中点划框和点划箭头表示任选的粉碎步骤。
具体实施方式
以下对技术的描述仅是一项或多项发明的主题、制造和使用的示例性性质，并非旨在限制在本申请中或在可能要求本申请优先权的其他申请中要求保护的任何特定发明或由此发布的专利的范围、应用或使用。除非另有明确说明，否则对于所公开的方法，所呈现的步骤的顺序本质上是示例性的，因此，在多个实施方案中步骤的顺序可以不同，包括其中可以同时进行某些步骤。本文使用的“一个/种(a)”和“一个/种(an)”表示存在“至少一个/种”项目；可能的话，可以存在多个/种这样的项目。除非另外明确指示，否则本说明书中的所有数值应被理解为由词语“约”修饰，并且在描述本技术的最宽范围时，所有几何和空间描述词语应被理解为由词语“基本上”修饰。当应用于数值时，“约”表示计算或测量允许该值存在一些轻微的不精确(某种程度地接近该值的精确性；适当或合理地接近该值；几乎)。如果由于某种原因，“约”和/或“基本上”所提供的不精确性在本领域中不能理解为具有这种常规含义，那么本文所用的“约”和/或“基本上”至少表示可以由测量或使用这些参数的常规方法所引起的变化。
尽管在本文中使用开放性术语“包括(comprising)”作为非限制性术语(如包含(including)、含有(containing)或具有(having))的同义词来描述和主张本技术的实施方案，但是实施方案可以替代地使用更具限制性的术语来描述，诸如“由……组成”或“基本上由……组成”。因此，对于列举材料、组件或方法步骤的任何给定的实施方案，本技术还具体包括由这些材料、组件或方法步骤组成或基本上由其组成的实施方案，这些材料、组件或方法不包括其他材料、组件或方法(由……组成)，并且不包括影响实施方案的重要特性的其他材料、组件或方法(基本上由……组成)，即使这些其他材料、组件或工艺没有在本申请中明确列举。例如，列举元素A、B和C的组合物或方法的叙述具体设想了由A、B和C组成并且基本上由A、B和C组成的实施方案，不包括可以在本领域中列举的元素D，即使元素D在本文中没有明确描述为不包括。
如本文所述，除非另有说明，否则范围的公开包括端点，并包括整个范围内的所有不同值和进一步划分的范围。因此，例如，“从A至B”或“从约A至约B”的范围包括A和B。公开的特定参数(例如量、重量百分比等)的值和值范围，不排除在本文中有用的其他值和值的范围。可以设想，给定参数的两个或多个具体示例值可以定义该参数所要求保护的值的范围的端点。例如，如果参数X在本文中被示例为具有值A并且还被示例为具有值Z，则可以设想参数X可以具有约A至约Z的值范围。类似地，可以设想参数的两个或更多个值范围的公开(无论这样的范围是嵌套的、重叠的还是不同的)包含可能使用所公开的范围的端点要求保护的值的所有可能的范围组合。例如，如果参数X在本文被示例为具有1-10或2-9或3-8范围内的值，也可以设想参数X可以具有其他范围的值，包括1-9、1-8、1-3、1-2、2-10、2-8、2-3、3-10、3-9等。
当元件或层被称为“在......上(on)”、“接合至(engaged to)”、“连接至(connected to)”或“耦合至(coupled to)”另一元件或层时，它可直接位于、接合、连接或耦合至另一元件或层，或可存在中间元件或层。相反，当一个元件被称为“直接在......上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦合至”另一个元件或层时，则可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应该以类似的方式解释(例如，“在……之间(between)”相对于“直接在……之间”、“相邻(adjacent)”相对于“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括相关列出项目中的一个或多个的任何组合和全部组合。
尽管可以在本文中使用术语第一、第二、第三等来描述多种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应该受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区分开来。在本文中使用时，如“第一”、“第二”等术语和其它数字术语不暗示顺序或次序，除非上下文明确指出。因此，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分，而不脱离示例实施方案的教导。
为便于描述，可以在本文中使用空间相对术语，如“内部”、“外部”、“下面(beneath)”、“下方(below)”、“下部(lower)”、“上方(above)”、“上部(upper)”等，以便于描述如图所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。空间相对术语可以旨在涵盖除图中所示方位之外，装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被翻转，那么被描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件将被定向在其它元件或特征的“上方”。因此，示例术语“下方”可以包括上方和下方两种方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或其他方位)，并且可以相应地解释在本文使用的空间相对描述词语。
本技术旨在优化制造用于燃料电池中的电极的方法，以最小化缺陷、金属损失和不期望的副产物的形成。通过这样的方式，电极(包括在PEM燃料电池的MEA中使用的阳极和阴极)的催化剂功能可以被最大化，并且可以以更有效的方式形成电极。提供了制备电极的方法，其中将包括催化剂、离聚物和聚醚的粉末混合物进行干法混合以形成混合的混合物。浆料由混合的混合物与液体载体形成。并且将浆料涂覆到基底上以形成涂覆基底。根据基底的不同，涂覆基底可以用作电极，或者涂覆基底的涂层可以被转移到另一种材料或膜上。
催化剂可以包括以下方面。催化剂可以包括一种或多种贵金属和/或贵金属合金。贵金属和/或贵金属合金的贵金属部分可以包括铂、钌和/或铱。催化剂可以包括沉积在各种颗粒(例如碳颗粒)上的金属和/或贵金属。较大的颗粒和/或颗粒的不均匀混合物可以被粉碎成较小的预选尺寸，并提供基本均匀的粒径分布。催化剂可以包括铂/碳、铂合金/碳、氧化铱钌、氧化钌铱、氧化铱/氧化铌以及其各种组合中的一种或多种。在目前，铂合金可以包括铂钴、铂镍和/或铂铁。如前所述，催化剂可以包括沉积在导电颗粒(例如各种碳颗粒)上的金属。这种导电颗粒可以被选择为具有各种孔隙率、尺寸和表面积。还可以混合各种类型的催化剂，包括沉积在各种类型的颗粒上的各种金属。
当催化剂包括沉积在碳颗粒上的一种或多种金属时，碳颗粒可以具有各种孔隙率、尺寸和平均表面积值。实施方案包括，其中碳颗粒包括可以在约50m2/g至约125m2/g、约125m2/g至约300m2/g和/或约300m2/g至约1200m2/g变化的平均表面积值，以及这些碳颗粒的混合物。碳颗粒的实例包括购自Cabot Carbon Ltd.的活性炭，包括商品名为VulcanTMXC-72和BLACK PEARLSTM的活性炭黑。
为了形成催化剂，可以将催化剂前体沉积在碳颗粒上。催化剂前体可以与基于不同的表面积、孔隙率及在选定的混合物中的比例的碳颗粒相互作用。催化剂前体可以包括铂前体和/或一种或多种铂合金前体。铂前体的实例包括乙酰丙酮铂、硝酸铂、六氯铂酸、三甲基(甲基环戊二烯基)铂以及各种金属有机化合物和表面活性剂。铂合金前体的实例包括具有铂合金的类似化合物。催化剂前体可以是热不稳定的，使得随后的加热和暴露于各种热能源可以导致催化剂前体的至少部分分解。在某些实施方案中，催化剂前体可以是热不稳定的，其中前体的有机部分被有效地分解、断裂和/或挥发，留下沉积在碳颗粒上的金属或金属合金。
离聚物可以包括以下方面。离聚物可以包括各种质子传导聚合物。离聚物可以包括聚电解质，该聚电解质包括含有电中性重复单元和一部分离子化单元的共聚物。离聚物中可以包括各种类型的共聚物，包括具有从属官能团(depending functional group)如羧酸基团和/或磺酸基团作为离子化基团的共聚物。离聚物可以包括磺化四氟乙烯基含氟聚合物共聚物。某些实施方案包括，其中离聚物包括来自DuPont的NafionTM。在某些实施方案中，离聚物可以包括存在于质子交换膜中的相同离聚物，在形成用于PEM燃料电池的MEA时，电极将与该离聚物相关联。离聚物可以被提供为各种尺寸和均匀性的颗粒，这些颗粒可以粉碎到预选尺寸并提供基本均匀的粒径分布。离聚物本身或与其相关联的一种或多种其他聚合物或材料可以至少部分是热塑性的，使得其颗粒可以被加热并至少被软化或甚至部分被熔化。这可以允许颗粒以及混合的混合物的其他组分(例如催化剂、聚醚)相互作用，使表面部分彼此一致。在有或没有相关压力的情况下，加热可以以类似烧结的方式操作，以熔化离聚物和任何相关的聚合物或材料，包括催化剂和聚醚，从而在涂覆到基底上之后形成粘性物质、层或薄膜。
聚醚可以包括以下方面。聚醚可以包括一种或多种聚环氧烷。聚环氧烷可以具有高于约20,000g/mol的平均分子质量。某些实施方案可以具有约100,000g/mol、400,000g/mol、1,000,000g/mol和2,000,000g/mol的分子质量。其他实施方案可以包括分子质量和分子质量范围的各种混合物，包括由前述值限定的混合物和范围。聚环氧烷可以包括聚环氧乙烷、聚环氧丙烷和/或聚环氧丁烷。聚环氧烷可以由单一的环氧烷烃物质或由环氧烷烃物质的混合物(例如环氧乙烷和环氧丙烷的混合物)形成。某些实施方案包括，聚环氧烷仅包括聚环氧乙烷。在目前，聚环氧乙烷可以包括分子质量高于约20,000g/mol的环氧乙烷的聚合物。聚环氧烷的商业实例包括以商品名CarbowaxTM(Dow)、PluriolTM(BASF)和Dow PSeriesTM(Dow)出售的那些。。
可以在形成电极的干混合物中提供各种量的催化剂、离聚物和聚醚。特别地，其中催化剂包括由由碳颗粒负载的金属和/或金属合金，可以使用由碳颗粒、离聚物和聚醚负载的各种重量百分比的金属和/或金属合金。实例包括由碳颗粒负载的15-70wt％的金属和/或金属合金、15-50wt％的离聚物、1-15wt％的聚醚和0-5wt％的其它组分。其他实施方案可以包括由碳颗粒负载的10-20wt％的金属和/或金属合金、5-15wt％的离聚物和5-20％的聚醚。混合以形成混合的混合物的粉末混合物也可以使用各种比率或比例进行组装。例如，催化剂、离聚物和聚醚可以以1∶5∶1的比例提供，并且某些实施方案可以包括比例为2:1:1和1:1:1的催化剂、离聚物和聚醚。
液体载体可以包括以下方面。实施方案包括，其中液体载体包括水性介质。水性介质可以包括水以及少量其他溶剂，包括水混溶性溶剂、表面活性剂、润湿剂和表面张力改性剂，它们有助于形成混合的混合物与液体载体的浆料。在某些实施方案中，液体载体可以仅包括水。液体载体可以与混合的混合物结合以形成催化剂、离聚物和聚醚的浆料。某些实施方案包括，其中粉末混合物中的每种颗粒可以具有约0.25微米至约0.5微米的平均粒径。也可以使干法混合的粉末混合物包括各种尺寸的催化剂、离聚物和聚醚，其中每种组分可以具有不同的尺寸，或者其中至少一种组分具有与其他两种组分不同的尺寸。可以调整催化剂、离聚物和聚醚的尺寸，以实现其在混合的混合物和随后与液体载体结合后的浆料中的不同分布。可以使用各种量的混合的混合物和液体载体，实施方案包括4-6份混合混合物比1份液体载体的任意量。通过这样的方式，所得浆料可以采取半液体混合物的形式，其中催化剂、离聚物和聚醚通常不溶于液体载体。将混合的混合物与液体载体一起处置为浆料形式，允许在形成电极时用于转移、分配和分布浆料的各种方法。
本方法还可以包括以下方面。可以在混合的混合物与水性介质形成浆料之前将混合的混合物粉碎。在形成浆料之前的粉碎可以包括各种粉碎、碾磨和研磨方法，以减小混合的混合物的平均粒径。也可以在干法混合每种粉末以形成混合的混合物之前将催化剂、离聚物和聚醚的一种、两种或全部三种粉碎。在干法混合之前的粉碎可以包括获得平均粒径为约0.25微米至约0.5微米的混合的混合物。粉碎操作可以包括碾碎、碾磨、切割和/或振动组分以获得预选粒径分布和/或提供基本均匀的平均粒径的各种已知方法。实例包括使用碾磨机，例如球磨机、各种破碎机、高压磨辊和辊压机。
形成混合的混合物与水性介质的浆料及其随后的涂覆可以包括以下方面。形成混合的混合物与液体载体的浆料可以包括混合的混合物比水性介质的比例为约4:1至约6:1，其中液体载体的量可以缓慢增加到使混合的混合物达到所需的流动性并且所得浆料呈现出在基底上进行最佳涂覆所必需的特性的程度。某些实施方案包括使用槽模将浆料涂覆到基底上，其中浆料通过靠近基底表面设置的窄槽输送到基底上。槽模涂覆允许调整湿膜涂层厚度、浆料的流速以及涂覆基底相对于槽模头的速度。以这种方式，槽模涂覆可以在大面积上获得均匀的薄膜，并在各种基底上提供所需厚度的薄膜。例如，在基底被提供为移动网的情况下，固定的槽模头可以在其上连续沉积浆料，以基于槽尺寸、浆料的流速、网的速度等因素来提供涂层厚度。还可以将涂层薄膜施加到基底的每一侧，以及将薄膜从一个基底转移到另一个基底。槽模涂覆步骤也可以集成到可扩展的工艺中，包括辊对辊涂覆和片对片沉积系统。其他涂覆技术可用于将浆料施加到基底上以形成涂覆基底，包括喷涂、浸涂、压延、辊对辊涂覆方法等。
混合的混合物，包括催化剂、溶剂和离聚物，可以以各种方式与液体载体结合以形成浆料。浆料可以直接沉积在作为基底的质子交换膜和/或气体扩散层(GDL)上，以在其上形成电极，或者浆料可以沉积在基底上以在其上形成电极，其中电极随后从基底转移到PEM以形成膜电极组件。液体载体可以在形成电极时除去。某些方法可以包括将电极从基底转移到另一基底，例如质子交换膜。转移可以通过压制操作、辊对辊转移以及本领域中可用的其他工艺来实现。液体载体的除去可以包括使液体载体挥发。溶剂的挥发可以从简单的空气干燥到包括应用低于大气压的条件或热能的过程。在某些实施方案中，可以使用加热和真空的组合来除去液体载体。在除去所有或基本上所有的液体载体之后，固体或半固体电极可以保留在表面上。液体载体的除去和电极的干燥可以通过使用聚醚来改善，这可以使所得电极中的结构不稳定性最小化，包括使其任何开裂或龟裂最小化。
基底可以包括以下方面。基底可以包括一种或多种坯件和网。在某些实施方案中，基底可以包括柔性聚合物网，该柔性聚合物网可以在其一侧或两侧连续涂覆浆料。基底还可以包括离聚物，例如磺化四氟乙烯基含氟聚合物共聚物。在基底包括离聚物的情况下，所得电极和基底可用于在MEA中形成阴极，其可进一步结合到燃料电池中。基底还可以包括含氟聚合物，其中所得电极可以用于在MEA和包括这种MEA的燃料电池中形成阳极。含氟聚合物基底的实例包括聚四氟乙烯和乙烯四氟乙烯。
涂覆基底可以用各种方式进一步处理。实例包括，其中涂覆基底进一步经受一个或多个层压步骤，包括与另一基底层压，暴露于各种热处理，经受压力，包括轧辊、压板和冲压板，以及这些处理的各种组合。可以将涂覆基底的涂层的一部分转移到离聚物膜的一侧上，并且还可以将涂覆基底的涂层的另一部分转移到离聚物膜的另一侧上。
通过本文提供的方法制造的电极可以以各种方式使用。根据本技术制造的一种或多种电极可以与质子交换膜结合用于制备膜电极组件。可以使用膜电极组件构建燃料电池，并且可以在燃料电池堆中配置多个燃料电池。这种燃料电池和燃料电池堆可以在各种应用中提供电能源。某些应用包括车辆应用。
在某些实施方案中，制备电极的方法可以包括以下方面。燃料电池催化剂(例如Pt/C、Pt合金/C(例如，Pt-Co、Pt-Ni、Pt-Fe)和/或IrRuOX、RuIrOX、IrOX/NbOX)与干燥的全氟磺酸(PFSA)离聚物粉末以及高分子量聚环氧乙烷(PEO)的干法混合可以在具有高强度棒的高速混合器中进行。所得的干原纤化混合物的混合的混合物可以加入到合适的粒径减小设备中。可以通过粉碎将粒径减小到约0.25微米至约0.5微米的平均粒径范围。干法混合的混合物可以与水以各种比例混合，优选干法混合的混合物比水的比例为约4:1至约6:1。少量的水可以将干法混合的且任选粉碎的混合物形成团/浆料，以允许其涂覆。涂覆工艺可以使用槽模在基底(例如离聚物(例如，PFSA膜)或含氟聚合物)上进行，其中涂覆基底可以在不同的加热区中在不同的温度下进一步层压，并使用轧辊进行压力处理，以获得所需的催化剂(例如，Pt)负载、厚度和电极结构。
在某些实施方案中，阴极电极可以涂覆在PFSA膜上，阳极电极可以涂覆在含氟聚合物基底上，例如PTFE或ETFE。阳极电极可以进一步层压到阴极半催化剂涂覆膜(CCM)上。或者，阳极和阴极都可以涂覆在PTFE或ETFE上，并同时层压到PFSA膜上。或者，阳极和阴极电极层可以同时涂覆在PFSA上，或者阴极可以涂覆在膜上，然后阳极可以涂覆在该膜的另一侧。
本方法和使用本方法制备的电极、膜电极组件和包含一个或多个电极的燃料电池带来了某些益处和优点。这些电极加工和制造方法可以提供更好的电极结构，这可以防止所得电极中的开裂和其他缺陷，避免用醇制备的催化剂油墨的副产物反应，并且可以防止使用中电极材料的浸出。与现有的制备电极的方法相比，本制备方法还最小化了加工步骤。可以进一步实现规模经济，因为本方法可以使用基底网和辊对辊涂覆和加工技术来实践。
实施例：
参考本文所附的附图提供本技术的示例性实施方案。
参考附图，100示出了根据本技术的制备电极的方法的实施方案。将包括催化剂105、离聚物110和聚醚115的粉末混合物在135进行干法混合以形成混合的混合物。任选地，在135进行干法混合之前，可以粉碎催化剂105，如120所示。同样地，在135进行干法混合之前，可以粉碎离聚物110和/或聚醚115，如分别在125、130所示。任选地，可以粉碎在135干法混合的混合的混合物产物，如在140所示。液体载体与混合的混合物结合以形成浆料，如145所示。然后将浆料涂覆到基底上，如150所提供的，以形成涂覆基底，其中基底上的涂层提供电极。尽管附图中未示出，但应理解，基底上的电极涂层可以通过多种方式进一步处理，包括与另一基底层压、加热应用和/或加压应用。也可以将涂覆基底的涂层的全部或一部分转移到离聚物膜的一侧上。涂覆基底的涂层的另一部分可以转移到离聚物膜的另一侧上。所得电极与质子交换膜结合可用于制备膜电极组件，并且膜电极组件可用于制备燃料电池。燃料电池可以是燃料电池堆的一部分，并且可以用作车辆的电源。
提供示例性实施方案以使本公开内容将充分公开，并将范围充分地传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，如具体组件、装置和方法的实例，以提供对本公开内容实施方案的充分理解。对于本领域技术人员来说将显而易见的是，不需要采用特定的细节，示例性实施方案可以以许多不同的形式体现，并且都不应该被解释为对本公开的范围的限制。在一些示例性实施方案中，没有详细描述公知的方法、公知的装置结构和公知的技术。在本技术的范围内，可以对一些实施方案、材料、组合物和方法进行等同的改变、修改和变化，并具有基本相似的结果。

Claims (20)

1.一种制备电极的方法，包括：
将包括催化剂、离聚物和聚醚的粉末混合物干法混合以形成混合的混合物；
形成所述混合的混合物与液体载体的浆料；和
将所述浆料涂覆到基底上以形成涂覆基底。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂包括选自贵金属、贵金属合金及其组合的成员。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂包括选自铂/碳、铂合金/碳、氧化铱钌、氧化钌铱、氧化铱/氧化铌及其组合的成员。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述离聚物包括磺化四氟乙烯基含氟聚合物共聚物。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚醚包括聚环氧烷。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在干法混合所述粉末混合物之前，粉碎所述催化剂、所述离聚物和所述聚醚中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括在形成所述混合的混合物与所述液体载体的浆料之前，粉碎所述混合的混合物。
8.根据权利要求7所述的方法，其中粉碎所述混合的混合物包括获得平均粒径为约0.25微米至约0.5微米的所述混合的混合物。
9.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述混合的混合物与所述液体载体的浆料包括混合的混合物与液体载体的比例为约4:1至约6:1。
10.根据权利要求1所述的方法，其中将所述浆料涂覆到所述基底上以形成所述涂覆基底包括使用槽模。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述基底为网的形式。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述基底包括离聚物。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述基底包括将所述电极配置为阳极的含氟聚合物。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂覆基底被选自以下的成员进一步处理：与另一基底层压、加热、施加压力及其组合。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述涂覆基底的涂层的一部分转移到离聚物膜的一侧上。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括将所述涂覆基底的涂层的另一部分转移到所述离聚物膜的另一侧上。
17.一种通过根据权利要求1所述的方法制备的电极。
18.一种膜电极组件，包括：
质子交换膜；和
电极，所述电极通过根据权利要求1所述的方法制备。
19.根据权利要求18所述的膜电极组件，还包括通过根据权利要求1所述的方法制备的另一电极，所述质子交换膜设置在所述电极和所述另一电极之间。
20.一种燃料电池，包括根据权利要求18所述的膜电极组件。
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