燃料電池膜電極組件制作過程的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開的主題總體而言涉及燃料電池。更特定而言，本公開的主題涉及制作用于燃料電池中的膜電極組件的過程。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池用于發(fā)電。燃料電池便于促成在諸如氫氣與氧氣這樣的反應(yīng)物之間的電化學(xué)反應(yīng)。燃料電池通常包括膜電極組件，其中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。膜電極組件通常包括了在陽極電極與陰極電極之間的膜。
[0003]某些燃料電池布置包括了通過將催化劑溶液沉積到膜上而建立/形成的膜電極組件。一層所沉積的催化劑材料在膜的相對側(cè)上形成了電極。然而，這種方案提出多種挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)妨礙以經(jīng)濟(jì)方式獲得具有所希望性能特征的膜電極組件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]一種處理催化劑墨的示例性方法包括對催化劑墨進(jìn)行超聲波處理。示例性方法包括高剪切混合所述催化劑墨。
[0005]制備膜電極組件的另一示例性方法包括對催化劑墨進(jìn)行超聲波處理。這種示例性方法包括高剪切混合所述催化劑墨。在超聲波處理和高剪切混合之后，催化劑墨被沉積到膜上以在膜上形成催化劑層。
[0006]從下文的詳細(xì)描述，所披露示例實(shí)施例的各種特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得顯而易見。伴隨詳細(xì)描述的附圖可如下簡要地描述。
【附圖說明】
[0007]圖1是總結(jié)了示例催化劑墨處理技術(shù)和可選的膜電極組件制作步驟的流程圖。
[0008]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例適用于處理催化劑墨和可選的膜電極組件制作的布置。
【具體實(shí)施方式】
[0009]膜電極組件包括了膜和在膜的至少一側(cè)上的至少一個(gè)電極層。通過將催化劑墨沉積到膜上而建立/形成了電極層。處理所述催化劑墨從而使得所得到的組件提供適用于很多種操作條件的性能特征并且甚至利用相對低的貴金屬加載而實(shí)現(xiàn)了這點(diǎn)。
[0010]圖1包括總結(jié)了示例方案的流程圖20。這個(gè)示例包括了在22對催化劑墨進(jìn)行超聲波處理。示例催化劑墨包括催化劑相、離聚物相和緩沖劑或溶劑。對催化劑墨進(jìn)行超聲波處理通過將團(tuán)塊(agglomerate)粒度分解成所希望的范圍而減小了粒度。一個(gè)示例包括使用超聲波處理直到團(tuán)塊粒度低于I微米。
[0011]高剪切混合在附圖標(biāo)記24處使用。高剪切混合在催化劑粒子上形成了所希望量的離聚物涂層。催化劑墨然后準(zhǔn)備就緒用于各種用途。
[0012]圖1的示例包括了在附圖標(biāo)記26的可選步驟，其中經(jīng)處理的催化劑墨被沉積在基板上以建立/形成電極層。
[0013]圖2示意性地示出了用于執(zhí)行在圖1的流程圖20中所總結(jié)的過程的布置。在這個(gè)示例中，通過將包含催化劑墨32的小瓶30放置于超聲波浴34中來實(shí)現(xiàn)了超聲波處理。在此示例中，超聲波浴34被填充有液體36諸如水。由38示意性地示出的超聲波振動(dòng)用于對小瓶30內(nèi)的催化劑墨32進(jìn)行超聲波處理或超聲波混合。一個(gè)示例包括了對催化劑墨進(jìn)行超聲波處理持續(xù)一段低于一小時(shí)到多達(dá)五小時(shí)的時(shí)段。這將催化劑粒度分解為所希望的粒度范圍。
[0014]由高剪切混合裝置40在圖2的示例中實(shí)現(xiàn)了高剪切混合，高剪切混合裝置40包括了同心圓筒42和44。如在46處示意性地示出的圓筒之間的相對旋轉(zhuǎn)在混合期間施加了高剪切力。這種高剪切混合使得離聚物在催化劑墨內(nèi)的催化劑粒子上分布。在某些示例中，僅需要數(shù)分鐘的高剪切混合。某些示例包括少于10分鐘的高剪切混合。
[0015]圖2包括經(jīng)處理的催化劑墨的可選或可能使用。這個(gè)示例包括了在26處用于制作諸如燃料電池部件這樣的物品的沉積技術(shù)。沉積裝置諸如噴灑器50沉積了在52示意性地示出的催化劑墨以在基板56上形成層54。在一示例中，基板56包括膜、氣體擴(kuò)散層和貼花(decal)，諸如聚四氟乙烯，這用作燃料電池膜電極組件。
[0016]圖示過程的超聲波處理部分在高剪切混合之前執(zhí)行?？赡茉趯σ后w進(jìn)行超聲波處理之前執(zhí)行高剪切混合。當(dāng)首先執(zhí)行超聲波處理時(shí)，其在高剪切混合期間發(fā)生的離聚物涂層之前提供粒度分解。對催化劑墨的超聲波處理和高剪切混合的組合導(dǎo)致了催化劑墨具有所希望的性質(zhì)。例如，所披露的技術(shù)得到了適用于制造表現(xiàn)優(yōu)良的膜電極組件的催化劑墨和與制作過程相關(guān)聯(lián)的有所改進(jìn)的經(jīng)濟(jì)性。
[0017]本發(fā)明包括以下發(fā)現(xiàn):僅超聲波處理并未導(dǎo)致利用離聚物對催化劑粒子充分的覆蓋。為了良好地利用催化劑，充分覆蓋是必需的。這種超聲波處理和高剪切混合的組合提供了充分離聚物覆蓋。這種超聲波處理提供了粒子減小，而高剪切混合提供了良好的離聚物分布。這種組合導(dǎo)致出乎意料地有所改進(jìn)的催化劑利用。例如，與由其它過程所制備的組件相比，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例而制備的膜電極組件以較低電流得到了更好的催化劑利用。在中電流和高電流操作條件改進(jìn)了離子運(yùn)輸。此外，通過具有更薄的離聚物膜(更好地限制的電流)而改進(jìn)了運(yùn)輸。
[0018]圖示示例的一個(gè)特征在于超聲波處理首先在催化劑墨內(nèi)形成了最大粒子表面積。在超聲波處理之后利用高剪切混合顯著地改進(jìn)了在表面積上的離聚物覆蓋。此外，在超聲波處理之后所執(zhí)行的高剪切混合并未造成粒子的任何再團(tuán)聚/再結(jié)塊。換言之，根據(jù)圖示示例在超聲波處理之后利用高剪切混合并未增加粒度超過由超聲波處理所實(shí)現(xiàn)的粒度。
[0019]所披露的示例技術(shù)允許在活性催化劑中使用更少量的貴金屬。所披露的技術(shù)提供了即使利用相對較低量貴金屬諸如鉑也避免較低性能特征的意外優(yōu)點(diǎn)。
[0020]所披露的示例技術(shù)避免了如利用傳統(tǒng)球磨方案可能發(fā)生的對催化劑的損壞。所披露的示例技術(shù)適用于敏感的結(jié)構(gòu)，如基于芯殼的催化劑或者包括很小鉑粒子的組合物/組分。此外，所披露的技術(shù)提供了制造經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)槠浔劝L壓/乳制的低能量方法更快，但其強(qiáng)度低于其它相對快速方法諸如行星式球磨。不損壞催化劑的更快的過程導(dǎo)致有所改進(jìn)的制作經(jīng)濟(jì)性。
[0021]前文的描述是示例性的而非限制性質(zhì)。對于所披露的示例的變化和修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員可以變得顯而易見，其未必偏離本發(fā)明的本質(zhì)。僅可以通過學(xué)習(xí)所附權(quán)利要求來確定給予本發(fā)明的法律保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于處理催化劑墨的方法，包括以下步驟: 對催化劑墨進(jìn)行超聲波處理；以及 尚剪切混合所述催化劑墨。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其包括:在執(zhí)行所述高剪切混合之前執(zhí)行所述超聲波處理。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其包括:執(zhí)行所述超聲波處理以實(shí)現(xiàn)大約一微米的催化劑粒度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化劑墨包括催化劑相、離聚物相和緩沖劑。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其包括:執(zhí)行所述超聲波處理持續(xù)小于一小時(shí)的時(shí)段。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其包括:執(zhí)行所述超聲波處理持續(xù)小于五小時(shí)的時(shí)段。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其包括:執(zhí)行所述高剪切混合持續(xù)小于約十分鐘的時(shí)段。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其包括:將所述催化劑墨沉積到基板上。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所沉積的催化劑墨和所述基板包括燃料電池部件。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述燃料電池部件包括膜電極組件。
【專利摘要】一種處理催化劑墨的示例性方法包括對催化劑墨進(jìn)行超聲波處理。示例性方法包括高度剪切混合所述催化劑墨。
【IPC分類】H01M4/88, B01J37/34, B01J35/12, H01M8/02
【公開號(hào)】CN105050717
【申請?zhí)枴緾N201280076639
【發(fā)明人】J.M.馬祖羅, W.J.巴喬爾克
【申請人】奧迪股份公司
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2012年10月26日
【公告號(hào)】EP2911787A1, US20150266028, WO2014065807A1