增強(qiáng)的電極組件的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及增強(qiáng)的電極組件。一種燃料電池、增強(qiáng)的膜電極組件、以及制造增強(qiáng)的膜電極組件的方法。該方法包括：使電極墨沉積在第一基底上以形成第一電極層；將第一多孔增強(qiáng)層施加于第一電極層的表面上以形成第一催化劑涂覆基底；使第一離聚物溶液沉積在第一催化劑涂覆基底上以形成第一離聚物層；以及將膜多孔增強(qiáng)層施加于第一離聚物層的表面上以形成增強(qiáng)的膜層。
【專(zhuān)利說(shuō)明】增強(qiáng)的電極組件
[0001]優(yōu)先權(quán)
本申請(qǐng)是2008年I月11日提交的名稱(chēng)為“制造使用氣體擴(kuò)散電極作為基底的質(zhì)子交換膜的方法(Method of Making a Proton Exchange Membrane Using a Gas Diffus1nElectrode as a Substrate) ”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)11/972，817的部分繼續(xù)申請(qǐng)、2011年I月13日提交的名稱(chēng)為“用于減少燃料電池部件中的龜裂的濕式層壓法(Wet Laminat1nProcess For Reducing Mud Cracking In Fuel Cell Components)，，的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)13/005，587的部分繼續(xù)申請(qǐng)、以及2012年3月30日提交的名稱(chēng)為“具有整體增強(qiáng)層的電極組件(Electrode Assembly With Integrated Reinforcement Layer)，，的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)13/434，898的部分繼續(xù)申請(qǐng)，這些專(zhuān)利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以參考的方式并入本文中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本申請(qǐng)涉及燃料電池，更具體地涉及燃料電池中所使用的膜組件、其子組件、以及用于制造膜組件和子組件的方法。

【背景技術(shù)】
[0003]燃料電池，有時(shí)被稱(chēng)為電化學(xué)轉(zhuǎn)換電池,通過(guò)處理反應(yīng)物,例如通過(guò)氫氣和氧氣的氧化和還原而產(chǎn)生電能。氫氣是非常有吸引力的燃料，因?yàn)樗乔鍧嵢剂喜⑶铱梢杂糜诟咝实卦谌剂想姵刂挟a(chǎn)生電能。在對(duì)作為車(chē)輛動(dòng)力源的氫燃料電池的開(kāi)發(fā)中，汽車(chē)工業(yè)已顯著擴(kuò)大了投資。與目前的使用內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)輛相比，由氫燃料電池提供動(dòng)力的車(chē)輛可以是更高效的并且產(chǎn)生較少的排放。
[0004]在一些燃料電池系統(tǒng)中，氫氣或富含氫氣的氣體作為反應(yīng)物經(jīng)過(guò)流徑被提供至燃料電池陽(yáng)極側(cè)，同時(shí)氧氣(例如采用大氣中氧氣的形式)作為反應(yīng)物經(jīng)過(guò)單獨(dú)的流徑被提供至燃料電池陰極側(cè)。陽(yáng)極和陰極促進(jìn)反應(yīng)物電化學(xué)轉(zhuǎn)化成電子和帶正電荷的離子(對(duì)于氫氣)、以及帶負(fù)電荷的離子和最終的水(對(duì)于氧氣)。電解質(zhì)層將陽(yáng)極與陰極隔離從而允許離子從陽(yáng)極傳遞至陰極的選擇性通過(guò)，同時(shí)抑制所產(chǎn)生的電子的通過(guò)，相反迫使電子流經(jīng)外部導(dǎo)電電路(例如，負(fù)載)以便在電子在陰極處與帶電離子重新結(jié)合之前執(zhí)行有效功。帶正電荷的和帶負(fù)電荷的離子在陰極處的結(jié)合導(dǎo)致作為反應(yīng)副產(chǎn)物的無(wú)污染水的產(chǎn)生。
[0005]常規(guī)的質(zhì)子交換膜(“PEM”)燃料電池可包括聚合物電解質(zhì)膜(或質(zhì)子交換膜)，在聚合物膜的兩側(cè)具有電極層，形成膜電極組件(“MEA”)。膜電極組件可位于一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)層之間，陰極板和陽(yáng)極板被置于氣體擴(kuò)散介質(zhì)層的外部。這些部件被壓到一起而形成燃料電池。
[0006]然而，燃料電池經(jīng)受可以減小燃料電池使用壽命的缺陷之苦。例如，在催化劑墨電極的形成期間會(huì)發(fā)生被稱(chēng)為“龜裂”的現(xiàn)象。龜裂是在催化劑電極表面中形成的網(wǎng)狀裂縫。該網(wǎng)狀裂縫會(huì)不合需要地影響燃料電池的性能，例如包括降低電極的有效剛度。另外，在燃料電池的運(yùn)行期間，由于缺乏機(jī)械完整性，膜會(huì)經(jīng)歷開(kāi)裂和失效。
[0007]因此，本文中公開(kāi)了替代的燃料電池、膜電極組件、以及用于制造膜電極組件的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在各實(shí)施例中，公開(kāi)了一種制造增強(qiáng)的膜電極組件的方法。該方法包括:使電極墨沉積在第一基底上以形成第一電極層；將第一多孔增強(qiáng)層施加于第一電極層的表面上以形成第一催化劑涂覆的基底；使第一離聚物溶液沉積在第一催化劑涂覆的基底上以形成第一離聚物層；以及將膜多孔增強(qiáng)層施加于第一離聚物層的表面上以形成增強(qiáng)的膜層。
[0009]在各實(shí)施例中，公開(kāi)了一種增強(qiáng)的電極組件。該增強(qiáng)的電極組件包括第一催化劑涂覆的基底、位于該第一催化劑涂覆的基底上的增強(qiáng)的膜層。第一催化劑涂覆的基底包括在第一基底上的第一電極層、和在該第一電極層上的第一多孔增強(qiáng)層。增強(qiáng)的膜層包括在第一多孔增強(qiáng)層上的第一離聚物層、和在該第一離聚物層上的膜多孔增強(qiáng)層。
[0010]在各實(shí)施例中，公開(kāi)了一種燃料電池。該燃料電池包括:增強(qiáng)的電極組件，該電極組件包括第一催化劑涂覆基底、位于該第一催化劑涂覆基底上的增強(qiáng)的膜層、和位于該增強(qiáng)的膜層上的第二催化劑涂覆基底；以及位于第一催化劑涂覆基底和第二催化劑涂覆基底的基底側(cè)上的一對(duì)板。第一催化劑涂覆基底包括在第一基底上的第一電極層、和在該第一電極層上的第一多孔增強(qiáng)層。增強(qiáng)的膜層包括第一離聚物層、和在該第一離聚物層上的膜多孔增強(qiáng)層。第二催化劑涂覆基底包括在第二基底上的第二電極層、在該第二電極層上的第二多孔增強(qiáng)層、以及位于第一催化劑涂覆基底和第二催化劑涂覆基底的基底側(cè)上的一對(duì)板。
[0011]本發(fā)明提供以下技術(shù)方案:
1.一種制造增強(qiáng)的膜電極組件的方法，包括:
使電極墨沉積在第一基底上，以形成第一電極層；
將第一多孔增強(qiáng)層施加于所述第一電極層的表面上，以形成第一催化劑涂覆基底； 使第一離聚物溶液沉積在所述第一催化劑涂覆基底上，以形成第一離聚物層；以及將膜多孔增強(qiáng)層涂覆于所述第一離聚物層的表面上，以形成增強(qiáng)的膜層。
[0012]2.如方案I所述的方法，其中所述方法還包括將所述第一催化劑涂覆基底干燥。
[0013]3.如方案I所述的方法，其中所述方法還包括將所述增強(qiáng)的膜層干燥。
[0014]4.如方案I所述的方法，其中所述方法還包括將所述第一催化劑涂覆基底干燥，以及將所述增強(qiáng)的膜層干燥。
[0015]5.如方案I所述的方法，其中所述方法還包括:
使第二離聚物溶液沉積在所述膜多孔增強(qiáng)層上以形成第二離聚物層，其中所述第一離聚物層、膜多孔增強(qiáng)層和第二離聚物層共同地形成所述增強(qiáng)的膜層；
將所述增強(qiáng)的膜層干燥；以及
將所述增強(qiáng)的膜層的第二離聚物層結(jié)合到第二催化劑涂覆基底的電極層，以形成所述增強(qiáng)的膜電極組件。
[0016]6.如方案5所述的方法，其中所述方法還包括:在所述第二催化劑涂覆基底的電極層上形成粘性離聚物層，并且其中第二離聚物層被結(jié)合到所述第二催化劑涂覆基底，使得所述粘性離聚物層位于所述第二離聚物層和所述第二催化劑涂覆基底的電極層之間并促進(jìn)這兩層之間的粘接。
[0017]7.如方案I所述的方法，其中所述方法還包括:
使第二離聚物溶液沉積在第二催化劑涂覆基底的電極層上，以便在所述第二催化劑涂覆基底的電極層上形成第二離聚物層；以及
將所述第二離聚物層結(jié)合到所述增強(qiáng)的膜層，以形成所述增強(qiáng)的膜電極組件。
[0018]8.如方案I所述的方法，其中所述方法還包括:
將所述增強(qiáng)的膜層結(jié)合到第二催化劑涂覆基底的電極層，以形成所述增強(qiáng)的膜電極組件。
[0019]9.如方案8所述的方法，其中所述方法還包括:在所述第二催化劑涂覆基底的電極層上形成粘性離聚物層，并且其中將所述增強(qiáng)的膜層結(jié)合到所述第二催化劑涂覆基底，使得所述粘性離聚物層位于所述增強(qiáng)的膜層和所述第二催化劑涂覆基底的電極層之間并促進(jìn)這兩層之間的粘接。
[0020]10.如方案I所述的方法，其中所述方法還包括:用在溶劑中包含從約0.2至約2重量％的磺化全氟環(huán)丁烷、全氟磺酸離聚物或者其混合物的表面活性劑溶液，對(duì)所述膜多孔增強(qiáng)層進(jìn)行預(yù)處理；以及將所述膜多孔增強(qiáng)層干燥。
[0021]11.如方案I所述的方法，其中所述第一基底是貼花基底，并且所述方法還包括將所述電極層從所述貼花基底轉(zhuǎn)印到無(wú)微孔層的氣體擴(kuò)散層、帶微孔層的氣體擴(kuò)散介質(zhì)、或者自支撐的微孔層。
[0022]12.—種增強(qiáng)的電極組件，包括:
第一催化劑涂覆基底，所述第一催化劑涂覆基底包括在第一基底上的第一電極層、和在所述第一電極層上的第一多孔增強(qiáng)層；以及
位于所述第一催化劑涂覆基底上的增強(qiáng)膜層，所述增強(qiáng)膜層包括在所述第一多孔增強(qiáng)層上的第一離聚物層、和在所述第一離聚物層上的膜多孔增強(qiáng)層。
[0023]13.如方案12所述的增強(qiáng)的電極組件，其中所述增強(qiáng)膜層還包括位于所述膜多孔增強(qiáng)層上的第二離聚物層。
[0024]14.如方案13所述的增強(qiáng)的電極組件，其中所述增強(qiáng)的電極組件還包括第二催化劑涂覆基底，所述第二催化劑涂覆基底包括在位于所述第二離聚物層上的第二基底上的第二電極層，使得所述第二離聚物層與所述第二電極層相鄰。
[0025]15.如方案14所述的增強(qiáng)的電極組件，其中所述增強(qiáng)的電極組件還包括粘性離聚物層，并且其中所述粘性離聚物層位于所述第二離聚物層和所述第二電極層之間并促進(jìn)這兩層之間的粘接。
[0026]16.如方案12所述增強(qiáng)的電極組件，其中所述增強(qiáng)的電極組件還包括第二催化劑涂覆基底，所述第二催化劑涂覆基底包括在位于所述膜多孔增強(qiáng)層上的第二基底上的第二電極層，使得所述膜多孔增強(qiáng)層與所述第二電極層相鄰。
[0027]17.如方案16所述的增強(qiáng)的電極組件，其中所述增強(qiáng)的電極組件還包括粘性離聚物層，并且其中所述粘性離聚物層位于所述膜多孔增強(qiáng)層和所述第二電極層之間并促進(jìn)這兩層之間的粘接。
[0028]18.—種燃料電池，包括:
增強(qiáng)的電極組件，所述增強(qiáng)的電極組件包括: 第一催化劑涂覆基底，所述第一催化劑涂覆基底包括在第一基底上的第一電極層、和在所述第一電極層上的第一多孔增強(qiáng)層；
位于所述第一催化劑涂覆基底上的增強(qiáng)的膜層，所述增強(qiáng)的膜層包括第一離聚物層和在所述第一離聚物層上的膜多孔增強(qiáng)層；
位于所述增強(qiáng)的膜層上的第二催化劑涂覆基底，所述第二催化劑涂覆基底包括在第二基底上的第二電極層和在所述第二電極層上的第二多孔增強(qiáng)層；以及
一對(duì)板，所述一對(duì)板位于所述第一催化劑涂覆基底和所述第二催化劑涂覆基底的基底側(cè)上。
[0029]19.如方案18所述的燃料電池，其中所述增強(qiáng)的膜層還包括在所述膜多孔增強(qiáng)層上的第二離聚物層。
[0030]20.如方案18所述的燃料電池，其中所述增強(qiáng)的電極組件還包括粘性離聚物層，其中所述粘性離聚物位于所述增強(qiáng)的膜層和所述第二電極層之間并促進(jìn)這兩層之間的粘接。
[0031]21.如方案18所述的燃料電池，其中所述增強(qiáng)的膜層還包括在所述膜多孔增強(qiáng)層上的第二離聚物層；并且其中所述增強(qiáng)的電極組件還包括粘性離聚物層，所述粘性離聚物層位于所述第二離聚物層和所述第二電極層之間并促進(jìn)這兩層之間的粘接。
[0032]本文中所描述的燃料電池、膜電極組件、以及用于制造膜電極組件的方法的實(shí)施例的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將陳述于以下的詳細(xì)說(shuō)明中，本領(lǐng)域技術(shù)人員從這些描述將容易地部分地理解上述特征和優(yōu)點(diǎn)或者通過(guò)實(shí)施本文中所描述的實(shí)施例(包括下面的詳細(xì)說(shuō)明、權(quán)利要求和附圖)而認(rèn)識(shí)上述特征和優(yōu)點(diǎn)。
[0033]前面的概述和下面的詳細(xì)說(shuō)明均描述了各種實(shí)施例，并且意圖提供用以理解要求保護(hù)主題的性質(zhì)和特征的概述或框架。附圖被包含用于提供對(duì)各種實(shí)施例的進(jìn)一步理解，附圖并入本說(shuō)明書(shū)而構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分。這些附圖圖示說(shuō)明了本文中所描述的各種實(shí)施例，并且連同描述用以解釋要求保護(hù)主題的原理和操作。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0034]在各實(shí)施例中:
圖1示意性地描繪了用于制造膜電極組件的方法的一個(gè)示例性實(shí)施例。
[0035]圖2示意性地描繪了用于制造膜電極組件的方法的另一個(gè)示例性實(shí)施例。
[0036]圖3示意性地描繪了用于制造膜電極組件的方法的又一個(gè)示例性實(shí)施例。
[0037]圖4示意性地描繪了用于制造膜電極組件的方法的再一個(gè)示例性實(shí)施例。
[0038]圖5示意性地描繪了用于制造膜電極組件的方法的又一個(gè)示例性實(shí)施例。
[0039]圖6示意性地描繪了用于制造膜電極組件的方法的又一個(gè)示例性實(shí)施例。
[0040]圖7示意性地描繪了用于制造膜電極組件的方法的又一個(gè)示例性實(shí)施例。
[0041]圖8示意性地描繪了用于制造膜電極組件的方法的又一個(gè)示例性實(shí)施例。
[0042]圖9用圖表方式描繪了比較根據(jù)本文中圖示和/或描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例形成的燃料電池的電池電壓性能的圖表。
[0043]圖10用圖表方式描繪了比較根據(jù)本文中圖示和/或描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例形成的燃料電池的耐久性性能的圖表。

【具體實(shí)施方式】
[0044]現(xiàn)在將詳細(xì)地提及產(chǎn)品以及用于制造增強(qiáng)的膜電極組件和子組件的方法的實(shí)施例，附圖中圖示說(shuō)明了這些實(shí)施例的實(shí)例。在可能的情況下，在所有附圖中將用相同的附圖標(biāo)記來(lái)標(biāo)示相同或相似的部件。本文中描述了用于制造增強(qiáng)膜電極組件和子組件的方法。本文中還描述了增強(qiáng)的膜電極組件、子組件和燃料電池。
[0045]所述方法通常包括:使電極墨沉積在第一基底上以形成第一電極層；將第一多孔增強(qiáng)層施加于第一電極層的表面上以形成第一催化劑涂覆基底；使離聚物溶液沉積在第一催化劑涂覆基底上以形成第一離聚物層；以及將膜多孔增強(qiáng)層施加于第一離聚物層的表面上以形成增強(qiáng)的膜層。所述方法還可包括:將第一催化劑涂覆基底和/或增強(qiáng)的膜層干燥。在本文中的一些實(shí)施例中，第一基底是貼花基底，并且將第一電極層從貼花基底轉(zhuǎn)印到無(wú)微孔層的氣體擴(kuò)散層、帶微孔層的氣體擴(kuò)散介質(zhì)、或者自支撐的微孔層。
[0046]在本文中的實(shí)施例中，所述方法還可包括:使第二離聚物溶液沉積到增強(qiáng)的膜層上以形成第二離聚物層，其中第一離聚物層、膜多孔增強(qiáng)層和第二離聚物層共同地構(gòu)成增強(qiáng)的膜層?？稍诘诙x聚物溶液的沉積之前進(jìn)行對(duì)第一離聚物層連同膜多孔增強(qiáng)層的干燥。也可在所有三層的沉積之后進(jìn)行干燥。所述方法還可包括:將第二離聚物層結(jié)合到第二催化劑涂覆基底的電極層，以形成增強(qiáng)的膜電極組件。第二催化劑涂覆基底的電極層可以被增強(qiáng)或者可以不被增強(qiáng)。在一些實(shí)施例中，所述方法還可包括:在第二催化劑涂覆基底的電極層上形成粘性層；以及將第二離聚物層結(jié)合到第二催化劑涂覆基底，使得粘性離聚物層位于第二離聚物層和第二催化劑涂覆基底的電極層之間并促進(jìn)這兩層之間的粘接。也就是說(shuō)，第二離聚物層與粘性層相鄰。在其它實(shí)施例中，所述方法可包括:使第二離聚物溶液沉積在第二催化劑涂覆基底的電極層上，以便在第二催化劑涂覆基底上形成第二離聚物層；以及將第二離聚物層結(jié)合到增強(qiáng)的膜層以形成增強(qiáng)的膜電極組件。所述方法還可包括:將增強(qiáng)的膜層結(jié)合到第二催化劑涂覆基底的電極層，以形成增強(qiáng)的膜電極組件。
[0047]本文中還描述了增強(qiáng)的電極組件。這些組件可包括:第一催化劑涂覆基底，該第一催化劑涂覆基底包括在第一基底上的第一電極層和在該第一電極層上的第一多孔增強(qiáng)層；以及位于第一催化劑涂覆基底上的增強(qiáng)的膜層，該增強(qiáng)的膜層包括在第一多孔增強(qiáng)層上的第一離聚物層和在該第一離聚物層上的膜多孔增強(qiáng)層。
[0048]在本文中的實(shí)施例中，這些組件還可包括第二催化劑涂覆基底。在一些實(shí)施例中，第二催化劑涂覆基底可包括在第二基底上的第二電極層。在本文中的實(shí)施例中，可以或者可以不利用第二多孔增強(qiáng)層來(lái)增強(qiáng)第二電極層。第二催化劑涂覆基底可位于膜多孔增強(qiáng)層上。在一些實(shí)施例中，第二催化劑涂覆基底可位于膜多孔增強(qiáng)層上，使得膜多孔增強(qiáng)層與第二電極層相鄰。第二催化劑涂覆基底也可具有任選的形成于第二電極層上的粘性離聚物層。在本文中的實(shí)施例中，第二催化劑涂覆基底可具有形成于該基底上的粘性離聚物層，粘性離聚物層可位于膜多孔增強(qiáng)層和第二電極層之間并促進(jìn)這兩層之間的粘接。
[0049]在本文中的實(shí)施例中，組件還可包括位于膜多孔增強(qiáng)層上的第二離聚物層。在一些實(shí)施例中，組件還可包括第二催化劑涂覆基底，該第二催化劑涂覆基底包括在位于第二離聚物層上的第二基底上的第二電極層，使得第二離聚物層與第二電極層相鄰。在其它實(shí)施例中，第二催化劑涂覆基底可具有形成于該基底上的粘性離聚物層，該粘性離聚物層可位于第二離聚物層和第二電極層之間并促進(jìn)這兩層之間的粘接。
[0050]本文中還描述了燃料電池。在各實(shí)施例中，燃料電池可包括增強(qiáng)的電極組件，該電極組件包括:第一催化劑涂覆基底，該第一催化劑涂覆基底包括在第一基底上的第一電極層和在該第一電極層上的第一多孔增強(qiáng)層；位于第一催化劑涂覆基底上的增強(qiáng)的膜層，該增強(qiáng)的膜層包括第一離聚物層和在第一離聚物層上的膜多孔增強(qiáng)層；和位于增強(qiáng)的膜層上的第二催化劑涂覆基底，該第二催化劑涂覆基底包括在第二基底上的第二電極層和(任選地)在第二電極層上的第二多孔增強(qiáng)層；以及，位于第一催化劑涂覆基底和第二催化劑涂覆基底的基底側(cè)的一對(duì)板。在一些實(shí)施例中，第二催化劑涂覆基底包括在第二基底上的第二電極層和在該第二電極層上的第二多孔增強(qiáng)層。
[0051]在一些實(shí)施例中，增強(qiáng)的膜層還可包括在膜多孔增強(qiáng)層上的第二離聚物層。在一些實(shí)施例中，增強(qiáng)的電極組件還可包括粘性離聚物層，其中粘性離聚物位于增強(qiáng)的膜層和第二電極層之間并促進(jìn)這兩層之間的粘接。在一些實(shí)施例中，增強(qiáng)的電極組件還可包括在膜多孔增強(qiáng)層上的第二離聚物層，并且其中增強(qiáng)的電極組件還包括粘性離聚物，該粘性離聚物位于第二離聚物層和第二電極層之間并促進(jìn)這兩層之間的粘接。
[0052]本文中所述的基底可包括、但不限于:擴(kuò)散介質(zhì)(DM)、氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM)、和貼花基底，諸如聚合物膜(例如，聚偏氟乙烯(PVDF)、氟乙烯丙烯、聚丙烯、聚酰亞胺、聚酯、或聚四氟乙烯(PTFE))、涂覆聚合物的紙(例如，涂覆聚氨酯的紙)、硅酮隔離紙、金屬箔(例如，鋁箔)、金屬載體(例如，不銹鋼載體)、具有鉻涂層的輪、或者其它非多孔材料。DM和GDM可由碳基基底組成，諸如碳紙、編織碳纖維或碳布、非織造的碳纖維網(wǎng)，這些碳基基底是高度多孔的并且為反應(yīng)氣體提供良好的電極進(jìn)入性?？捎糜诒景l(fā)明實(shí)施的碳基底可包括、但不限于:Toray?碳紙、SpectraCarb?碳紙、AFN?非織造碳布、Zoltek?碳布、Zoltek?PWB-3等。也可用疏水性成分或者可允許從燃料電池中除去水的微孔層對(duì)DM和GDM進(jìn)行處理。在一些實(shí)施例中，基底包括氣體擴(kuò)散介質(zhì)、帶微孔層的氣體擴(kuò)散介質(zhì)、自支撐微孔層、或者貼花基底。在其它實(shí)施例中，基底包括氣體擴(kuò)散介質(zhì)、帶微孔層的氣體擴(kuò)散介質(zhì)、或者自支撐微孔層。
[0053]基底的厚度可根據(jù)例如所使用的基底的類(lèi)型以及用途而變化。在一些實(shí)施例中，多孔基底可具有從約100微米至約500微米范圍的厚度。在其它實(shí)施例中，多孔基底可具有從約150微米至約300微米范圍的厚度。在一些實(shí)施例中，非多孔基底可具有從約10微米至約3200微米范圍的厚度。在其它實(shí)施例中，非多孔基底可具有從約20微米至約40微米范圍的厚度。
[0054]如上所述，電極層可形成于使用催化劑基電極墨的基底上。電極墨包含離聚物的基體，該基體具有大致均勻分布于整個(gè)該基體中的多個(gè)導(dǎo)電的支撐顆粒。催化劑基電極墨可包含溶劑、離聚物和催化劑。
[0055]合適溶劑的例子可以包括、但不限于:異丙醇、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-羥基-3-甲基-2- 丁酮和4-羥基-4-甲基-2-戊酮(二丙酮醇)、或者其混合物。該混合物中可包含有水，但這不是必需的。在一些實(shí)施例中，溶劑包括有機(jī)溶劑和水。在其它實(shí)施例中，溶劑包括水、異丙醇、正丙醇、乙醇、或者其組合。
[0056]催化劑墨中所使用的離聚物可以包括在工作狀態(tài)和與燃料電池運(yùn)行相關(guān)的溫度下基本上穩(wěn)定的任何合適的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物。合適離聚物的例子可以包括、但不限于:四氟乙烯與一種或多種氟化的酸性官能共聚單體的共聚物、四氟乙烯-氟乙烯基醚共聚物、全氟磺酸(PFSA)、磺化全氟環(huán)丁烷(S-PFCB)、烴類(lèi)聚合物、磺化聚醚酮、芳基酮、摻雜酸的聚苯并咪唑、磺化聚砜、磺化聚苯乙烯、或者其混合物。在一些實(shí)施例中，離聚物包括:全氟磺酸(PFSA)聚合物(例如從E.1.DuPont de Nemours and C0.獲得的Naf 1n?)、經(jīng)類(lèi)離聚物諸如磺化聚醚酮、芳基酮、聚苯并咪唑、或者其混合物。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是也可以使用其它質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物。
[0057]催化劑通常是具有催化活性的細(xì)碎的貴金屬。合適的貴金屬包括、但不限于:鉬族金屬，諸如鉬、鈀、銥、銠、釕，或者它們的合金。若需要，鉬族金屬也可以與其它金屬形成合金。在一些實(shí)施例中，可將催化劑涂覆于支撐材料(包括導(dǎo)電的支撐顆粒)上。支撐顆?？梢杂扇魏尉哂谐浞指叩膶?dǎo)電率和表面積的材料所形成以便在燃料電池中使用。合適的導(dǎo)電支撐顆粒包括、但不限于:炭黑、石墨和活性炭。催化劑涂覆的支撐材料可從市場(chǎng)上購(gòu)得。
[0058]電極墨可以任選地包含用于改善電極性能的一種或多種附加材料。附加材料可包括、但不限于:纖維或者層狀硅酸鹽增強(qiáng)材料，如在2008年7月10日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)12/170，706和2010年9月15日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)12/882，653中所描述的，這些申請(qǐng)的內(nèi)容以參考的方式并入本文中。其它添加劑可包括:粘結(jié)劑、共溶劑、濕潤(rùn)劑、消泡劑、表面活性劑、防沉劑、防腐劑、造孔劑、均化劑、穩(wěn)定劑、pH值調(diào)節(jié)劑、助磨劑、以及可以使用于催化劑墨成分中以改善可涂布性或電極性能的其它物質(zhì)。此外，可以添加堿性劑諸如氫氧化鈉(NaOH)或氫氧化鉀(KOH)以緩沖離聚物的酸根。
[0059]可以利用常規(guī)的涂布技術(shù)，例如狹縫模涂布，使電極墨沉積在任何合適的基底上。在一些實(shí)施例中，如果在貼花基底上形成電極層，然后可以將電極層轉(zhuǎn)印到合適的層用于其預(yù)期用途。例如，在燃料電池中，可將電極層轉(zhuǎn)印到質(zhì)子交換膜或氣體擴(kuò)散介質(zhì)(具有或者不具有微孔層)。
[0060]在本文中的實(shí)施例中，多孔增強(qiáng)層可包括、但不限于:聚合物膜、金屬網(wǎng)、織物、或者其組合。合適的聚合物膜的例子可包括:聚四氟乙烯(PTFE)、膨體聚四氟乙烯(ePTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、或者氟乙烯丙烯(FEP)。在一些實(shí)施例中，第一膜層和/或第二多孔增強(qiáng)層包含膨體聚四氟乙烯。
[0061]在本文中的實(shí)施例中，多孔增強(qiáng)層可用表面活性劑溶液，例如離聚物稀溶液，進(jìn)行預(yù)處理，并被干燥。不受理論的束縛，已發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用包含磺化全氟環(huán)丁烷和/或全氟磺酸離聚物的離聚物溶液而形成膜層時(shí)，如下面進(jìn)一步的描述，ePTFE可被來(lái)自膜層的離聚物溶液不完全地浸濕并且填充ePTFE，因而可以將離聚物溶液有效地涂覆于膜層上。另外，ePTFE可被用于形成電極層的電極墨不完全地浸濕。認(rèn)為，通過(guò)用表面活性劑溶液對(duì)多孔增強(qiáng)層進(jìn)行預(yù)處理，表面活性劑溶液可起作用以降低用于形成膜層的離聚物、或者用于形成電極層的電極墨的表面張力，因此在涂覆期間ePTFE可以變得完全地被浸透和/或浸濕。
[0062]在將多孔增強(qiáng)層涂覆于離聚物層或電極層之前進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理可以包括、但不限于:用表面活性劑溶液噴涂多孔增強(qiáng)層，將多孔增強(qiáng)層浸潰于表面活性劑溶液中、刮刀涂布、棒式涂布、狹縫模涂布和/或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它傳統(tǒng)的浸潰或涂布方法。在本文中的實(shí)施例中，合適的表面活性劑溶液可包含在溶劑溶液中的從約0.1至約5重量％、從約0.2至約2重量％、或者從約0.5至約I重量％的離聚物，例如磺化全氟環(huán)丁烷、全氟磺酸離聚物(例如，從E.1.DuPont de Nemours and Company (美國(guó)特拉華州威爾明頓)獲得的D2020)、和/或其混合物。溶劑可包括:異丙醇、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-羥基-3-甲基-2- 丁酮和4-羥基-4-甲基-2-戊酮(二丙酮醇)、或者其混合物。
[0063]在一些實(shí)施例中，膜多孔增強(qiáng)層用包含在溶劑中的從約0.2至約2重量％的磺化全氟環(huán)丁烷、全氟磺酸離聚物或者其混合物的表面活性劑溶液進(jìn)行預(yù)處理，并被干燥。在其它實(shí)施例中，第一和第二多孔增強(qiáng)層中的一層或兩者用包含在溶劑中的從約0.2至約2重量％的磺化全氟環(huán)丁烷、全氟磺酸離聚物或者其混合物的表面活性劑溶液進(jìn)行預(yù)處理，并被干燥。
[0064]在膜層的形成中所使用的離聚物可包含任何合適的聚合物電解質(zhì)?？捎糜诒景l(fā)明的聚合物電解質(zhì)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。可用于本發(fā)明的氟化聚合物電解質(zhì)的例子可以包括:四氟乙烯與一種或多種氟化的酸性官能共聚單體共聚物、四氟乙烯-氟乙烯基醚共聚物、全氟磺酸(PFSA)、磺化全氟環(huán)丁烷(S-PFCB)、或者其混合物。將離聚物材料使用于液相成分中，即被溶解于或分散于合適的溶劑中。許多含氟離聚物材料可以以各種濃度的水溶液形式而獲得。溶液中的離聚物含量可從溶液的重量百分比約5至約50變化。當(dāng)然，也可以使用以水分散體形式而提供的離聚物材料。這種分散體可包括例如:由DuPont銷(xiāo)售的Naf 1n? PFSA聚合物分散體?？墒褂玫臒o(wú)氟離聚物材料的例子可以包括:烴類(lèi)聚合物、磺化聚醚酮類(lèi)、磺化芳基酮類(lèi)、摻雜酸的聚苯并咪唑類(lèi)、磺化聚砜、和磺化聚苯乙烯。
[0065]通過(guò)本文中描述的方法所形成的膜可具有從約I Mm至約50 μ m范圍的干厚度。在一些實(shí)施例中，該膜層可具有從約I Mffl至約30 ym范圍的干厚度。在其它實(shí)施例中，該膜層可具有從約I Mffl至約15 y m范圍的干厚度。
[0066]參照?qǐng)D1，描繪了用于制造增強(qiáng)的膜電極組件的示例性方法(100)。在第一基底
(105)的表面上,使電極墨沉積在第一基底(105)上以形成第一電極層(110)。在濕潤(rùn)的情況下將第一多孔增強(qiáng)層(115)施加于第一電極層(110)的表面，以形成第一催化劑涂覆的基底(120)。在一些實(shí)例中，在濕潤(rùn)的情況下第一多孔增強(qiáng)層(115)可被滲透或浸潰了第一電極層(110)。將第一催化劑涂覆基底(120)干燥。使第一離聚物溶液沉積在第一催化劑涂覆基底(120)上，以形成第一離聚物層(125)。在濕潤(rùn)的情況下將膜多孔增強(qiáng)層(130)施加于第一離聚物層(125)的表面。在一些實(shí)例中，在濕潤(rùn)的情況下膜多孔增強(qiáng)層(130)可被滲透或浸潰有第一離聚物層(125)。將膜多孔增強(qiáng)層(130)和第一離聚物層(125)干燥。使第二離聚物溶液沉積在膜多孔增強(qiáng)層(130)上，以形成第二離聚物層(135)。將第二離聚物層(135)干燥。第一離聚物層(125)、膜多孔增強(qiáng)層(130)、和第二離聚物層(135)形成增強(qiáng)膜層(140)。
[0067]第二催化劑涂覆基底(145)形成具有在第二催化劑涂覆基底(145)表面上的任選的粘性的離聚物層(150)。第二催化劑涂覆基底(145)可包括在第二基底(146)上的第二電極層(148)?？梢曰蛘呖梢圆焕玫诙嗫自鰪?qiáng)層(149)來(lái)增強(qiáng)第二電極層(148)。使第三離聚物溶液沉積在第二催化劑涂覆基底(145)上，以形成任選的粘性的離聚物層(150)。將任選的粘性離聚物層(150)干燥?？衫萌芜x的粘性離聚物層(150)來(lái)促進(jìn)第二離聚物層(135)與第二催化劑涂覆基底(145)之間的粘接。在一些實(shí)施例中，可利用任選的粘性離聚物層(150)來(lái)促進(jìn)第二離聚物層(135)與第二催化劑涂覆基底(145)的第二電極層之間的粘接。將具有形成在其上的增強(qiáng)膜層(140)的第一催化劑涂覆基底(120)與具有形成在其上的任選的粘性離聚物層(150)的第二催化劑涂覆基底(145)熱壓或?qū)訅旱揭黄?，以形成增?qiáng)的膜電極組件(155)。
[0068]圖1中所示的增強(qiáng)的膜電極組件(155)具有在第一基底(105)上的第一電極層(110)、在第一電極層(110)上的第一多孔增強(qiáng)層(115)。第一基底(105)、第一電極層(110)、和第一多孔增強(qiáng)層(115)共同地構(gòu)成第一催化劑涂覆基底(120)。第一離聚物層(125)是在第一多孔增強(qiáng)層(115)上，膜多孔增強(qiáng)層(130)是在第一離聚物層(125)上。第二離聚物層(135)是在膜多孔增強(qiáng)層(130)上。第一離聚物層(125)、膜多孔增強(qiáng)層(130)、和第二離聚物層(135)共同地構(gòu)成增強(qiáng)膜層(140)。任選的粘性離聚物層(150)是在第二離聚物層(135)上，第二催化劑涂覆基底(145)是在任選的粘性離聚物層(150)上。
[0069]參照?qǐng)D2，描繪了制造增強(qiáng)的膜電極組件的示例性方法(200)。在第一基底(205)的表面上，使電極墨沉積在第一基底(205)上以形成第一電極層(210)。在濕潤(rùn)的情況下將第一多孔增強(qiáng)層(215)施加于第一電極層(210)的表面，以形成第一催化劑涂覆基底(220)。在一些實(shí)例，在濕潤(rùn)的情況下第一多孔增強(qiáng)層(215)可被滲透或浸潰了第一電極層210。使離聚物溶液沉積在第一催化劑涂覆基底(220)上，以形成第一離聚物層(225)。在濕潤(rùn)的情況下將膜多孔增強(qiáng)層(230)施加于第一離聚物層(225)的表面。在一些實(shí)例中，在濕潤(rùn)的情況下膜多孔增強(qiáng)層(230)可被滲透或浸潰了第一離聚物層(225)。將第一催化劑涂覆基底(220)、第一離聚物層(225)、和膜多孔增強(qiáng)層(230)干燥。使第二離聚物溶液沉積在膜多孔增強(qiáng)層(230)上，以形成第二離聚物層(235)。將第二離聚物層(235)干燥。第一離聚物層(225)、膜多孔增強(qiáng)層(230)和第二離聚物層(235)形成增強(qiáng)膜層(240)。
[0070]第二催化劑涂覆基底(245)形成具有在第二催化劑涂覆基底(245)表面上的任選的粘性離聚物層(250)。第二催化劑涂覆基底(245)可包括在第二基底(246)上的第二電極層(248)。可以或者可以不利用第二多孔增強(qiáng)層(249)來(lái)增強(qiáng)第二電極層(248)。使第三離聚物溶液沉積在第二催化劑涂覆基底(245)上，以形成任選的粘性離聚物層(250)。將任選的粘性離聚物層(250)干燥。任選的粘性離聚物層(250)可用于促進(jìn)第二離聚物層(235)與第二催化劑涂覆基底(245)之間的粘接。在一些實(shí)施例中，任選的粘性離聚物層(250)可用于促進(jìn)第二離聚物層(235)與催化劑涂覆基底(245)的第二電極層之間的粘接。將具有形成在其上的增強(qiáng)膜層(240)的第一催化劑涂覆基底(220)與具有形成在其上的任選的粘性離聚物層(250)的第二催化劑涂覆基底(245)熱壓或?qū)訅旱揭黄?，以形成增?qiáng)的膜電極組件(255)。
[0071]圖2中所示的增強(qiáng)膜電極組件(255)具有在第一基底(205)上的第一電極層(210)、在第一電極層(210)上的第一多孔增強(qiáng)層(215)。第一基底(205)、第一電極層(210)和第一多孔增強(qiáng)層(215)共同地構(gòu)成第一催化劑涂覆基底(220)。第一離聚物層(225)是在第一多孔增強(qiáng)層(215)上，膜多孔增強(qiáng)層(230)是在第一離聚物層(225)上。第二離聚物層(235)是在膜多孔增強(qiáng)層(230)上。第一離聚物層(225)、膜多孔增強(qiáng)層(230)、和第二離聚物層(235)共同地構(gòu)成增強(qiáng)膜層(240)。任選的粘性離聚物層(250)是在第二離聚物層(235)上，第二催化劑涂覆基底(245)是在任選的粘性離聚物層(250)上。
[0072]參照?qǐng)D3，描繪了制造增強(qiáng)膜電極組件的示例性方法(300)。在第一基底(305)的表面上，使電極墨沉積在第一基底(305)上以形成第一電極層(310)。在濕潤(rùn)的情況下將第一多孔增強(qiáng)層(315)施加于第一電極層(310)的表面，以形成第一催化劑涂覆基底(320)。在一些實(shí)例中，在濕潤(rùn)的情況下第一多孔增強(qiáng)層(315)可被滲透或浸潰了第一電極層(310)。將第一催化劑涂覆基底(320)干燥。使離聚物溶液沉積在第一催化劑涂覆基底(320)上，以形成第一離聚物層(325)。在濕潤(rùn)的情況下將膜多孔增強(qiáng)層(330)施加于第一離聚物層(325)的表面。在一些實(shí)例中，在濕潤(rùn)的情況下膜多孔增強(qiáng)層330可被滲透或浸潰了第一離聚物層(325)。使第二離聚物溶液沉積在膜多孔增強(qiáng)層(330)上，以形成第二離聚物層(335)。第一離聚物層(325)、膜多孔增強(qiáng)層(330)和第二離聚物層(335)形成增強(qiáng)的膜層(340)，然后將增強(qiáng)的膜層(340)干燥。
[0073]第二催化劑涂覆基底(345)形成具有在第二催化劑涂覆基底(345)表面上的任選的粘性離聚物層(350)。第二催化劑涂覆基底(345)可包括在第二基底(346)上的第二電極層(348)。可以或者可以不利用第二多孔增強(qiáng)層(349)來(lái)增強(qiáng)第二電極層。使第三離聚物溶液沉積在第二催化劑涂覆基底(345)上，以形成任選的粘性離聚物層(350)。將任選的粘性離聚物層(350)干燥。在一些實(shí)施例中，任選的粘性離聚物層(350)可用于促進(jìn)第二離聚物層(335)與催化劑涂覆基底(345)的第二電極層之間的粘接。將具有形成在其上的增強(qiáng)的膜層(340)的第一催化劑涂覆基底(320)與具有形成在其上的任選的粘性離聚物層(350)的第二催化劑涂覆基底(345)熱壓或?qū)訅旱揭黄?，以形成增?qiáng)的膜電極組件(355)。
[0074]圖3中所示的增強(qiáng)的膜電極組件(355)具有在第一基底(305)上的第一電極層(310)、在第一電極層(310)上的第一多孔增強(qiáng)層(315)。第一基底(305)、第一電極層(310)、和第一多孔增強(qiáng)層(315)共同地構(gòu)成第一催化劑涂覆基底(320)。第一離聚物層(325)是在第一多孔增強(qiáng)層(315)上，膜多孔增強(qiáng)層(330)是在第一離聚物層(325)上。第二離聚物層(335)是在膜多孔增強(qiáng)層(330)上。第一離聚物層(325)、膜多孔增強(qiáng)層(330)、和第二離聚物層(335)共同地構(gòu)成增強(qiáng)的膜層(340)。任選的粘性離聚物層(350)是在第二離聚物層(335)上，第二催化劑涂覆基底(345)是在任選的粘性離聚物層(350)上。
[0075]參照?qǐng)D4，描繪了制造增強(qiáng)的膜電極組件的示例性方法(400)。在第一基底(405)的表面上，使電極墨沉積在第一基底(405)上以形成第一電極層(410)。在濕潤(rùn)的情況下將第一多孔增強(qiáng)層(415)施加于第一電極層(410)的表面，以形成第一催化劑涂覆基底(420)。在一些實(shí)例中，在濕潤(rùn)的情況下第一多孔增強(qiáng)層(415)可被滲透或浸潰了第一電極層(410)。使離聚物溶液沉積在第一催化劑涂覆基底(420)上，以形成第一離聚物層(425)。在濕潤(rùn)的情況下將膜多孔增強(qiáng)層(430)施加于第一離聚物層(425)的表面。在一些實(shí)例中，在濕潤(rùn)的情況下膜多孔增強(qiáng)層(430)可被滲透或浸潰了第一離聚物層(425)。使第二離聚物溶液沉積在膜多孔增強(qiáng)層(430)上以形成第二離聚物層(435)。第一離聚物層(425)、膜多孔增強(qiáng)層(430)和第二離聚物層(435)形成增強(qiáng)的膜層(440)。在一個(gè)步驟中將第一催化劑涂覆基底(420)和增強(qiáng)的膜層(440)干燥。
[0076]第二催化劑涂覆基底(445)形成具有在第二催化劑涂覆基底(445)表面上的任選的粘性離聚物層(450)。第二催化劑涂覆基底(445)可包括在第二基底(446)上的第二電極層(448)。可以或者可以不利用第二多孔增強(qiáng)層(449)來(lái)增強(qiáng)第二電極層(448)。使第三離聚物溶液沉積在第二催化劑涂覆基底(445)上，以形成任選的粘性離聚物層(450)。將任選的粘性離聚物層(450)干燥。任選的粘性離聚物層(450)可用于促進(jìn)第二離聚物層(435)與第二催化劑涂覆基底(445)之間的粘接。在一些實(shí)施例中，任選的粘性離聚物層(450)可用于促進(jìn)第二離聚物層(435)與第二催化劑涂覆基底(445)的第二電極層之間的粘接。將具有形成在其上的增強(qiáng)膜層(440)的第一催化劑涂覆基底(420)與具有形成在其上的任選的粘性離聚物層(450)的第二催化劑涂覆基底(445)熱壓或?qū)訅旱揭黄穑孕纬稍鰪?qiáng)的膜電極組件(455)。
[0077]圖4中所示的增強(qiáng)的膜電極組件(455)具有在第一基底(405)上的第一電極層(410)、在第一電極層(410)上的第一多孔增強(qiáng)層(415)。第一基底(405)、第一電極層(410)、和第一多孔增強(qiáng)層(415)共同地構(gòu)成第一催化劑涂覆基底(420)。第一離聚物層(425)是在第一多孔增強(qiáng)層(415)上，膜多孔增強(qiáng)層(430)是在第一離聚物層(425)上。第二離聚物層(435)是在膜多孔增強(qiáng)層(430)上。第一離聚物層(425)、膜多孔增強(qiáng)層(430)、和第二離聚物層(435)共同地構(gòu)成增強(qiáng)膜層(440)。任選的粘性離聚物層(450)是在第二離聚物層(435)上，第二催化劑涂覆基底(445)是在任選的粘性離聚物層(450)上。
[0078]參照?qǐng)D5，描繪了制造增強(qiáng)的膜電極組件的示例性方法(500)。在第一基底(505)的表面上，使電極墨沉積在第一基底(505)上以形成第一電極層(510)。在濕潤(rùn)的情況下將第一多孔增強(qiáng)層(515)施加于第一電極層(510)的表面，以形成第一催化劑涂覆基底(520)。在一些實(shí)例中，在濕潤(rùn)的情況下第一多孔增強(qiáng)層(515)可被滲透或浸潰了第一電極層(510)。將第一催化劑涂覆基底(520)干燥。使離聚物溶液沉積在第一催化劑涂覆基底(520)上，以形成第一離聚物層(525)。在濕潤(rùn)的情況下將膜多孔增強(qiáng)層(530)施加于第一離聚物層(525)的表面。在一些實(shí)例中，在濕潤(rùn)的情況下膜多孔增強(qiáng)層(530)可被滲透或浸潰了第一離聚物層(525)。將膜多孔增強(qiáng)層(530)和第一離聚物層(525)干燥。第一離聚物層(525)和膜多孔增強(qiáng)層(530)形成增強(qiáng)膜層(540)。
[0079]第二催化劑涂覆基底(545)形成具有在第二催化劑涂覆基底(545)表面上的任選的粘性離聚物層(550)。第二催化劑涂覆基底(545)可包括在第二基底(546)上的第二電極層(548)?？梢曰蛘呖梢圆焕玫诙嗫自鰪?qiáng)層(549)來(lái)增強(qiáng)第二電極層548。使第二離聚物溶液沉積在第二催化劑涂覆基底(545)上，以形成任選的粘性離聚物層(550)。將任選的粘性離聚物層(550)干燥。任選的粘性離聚物層(550)可用于促進(jìn)膜多孔增強(qiáng)層(530)與第二催化劑涂覆基底(545)之間的粘接。在一些實(shí)施例中，任選的粘性離聚物層(550)可用于促進(jìn)膜多孔增強(qiáng)層(530)與第二催化劑涂覆基底(545)的第二電極層之間的粘接。將具有形成在其上的增強(qiáng)膜層(540)的第一催化劑涂覆基底(520)與具有形成在其上的任選的粘性離聚物層(550)的第二催化劑涂覆基底(545)熱壓或?qū)訅涸谝黄穑孕纬稍鰪?qiáng)的膜電極組件(555)。
[0080]圖5中所示的增強(qiáng)的膜電極組件(555)具有在第一基底(505)上的第一電極層(510)、在第一電極層(510)上的第一多孔增強(qiáng)層(515)。第一基底(505)、第一電極層(510)、和第一多孔增強(qiáng)層(515)共同地構(gòu)成第一催化劑涂覆基底(520)。第一離聚物層(525)是在第一多孔增強(qiáng)層(515)上，膜多孔增強(qiáng)層(530)是在第一離聚物層(525)上。第一離聚物層(525)和膜多孔增強(qiáng)層(530)共同地構(gòu)成增強(qiáng)膜層(540)。任選的粘性離聚物層(550)是在增強(qiáng)膜層(540)的膜多孔增強(qiáng)層(530)上，第二催化劑涂覆基底(545)是在任選的粘性離聚物層(550)上。
[0081]參照?qǐng)D6，描繪了制造增強(qiáng)的膜電極組件的示例性方法(600)。在第一基底(605)的表面上，使電極墨沉積在第一基底(605)上以形成第一電極層(610)。在濕潤(rùn)的情況下將第一多孔增強(qiáng)層(615)施加于第一電極層(610)的表面，以形成第一催化劑涂覆基底(620)。在一些實(shí)例中，在濕潤(rùn)的情況下第一多孔增強(qiáng)層(615)可被滲透或浸潰了第一電極層(610)。使離聚物溶液沉積在第一催化劑涂覆基底(620)上，以形成第一離聚物層(625)。在濕潤(rùn)的情況下將膜多孔增強(qiáng)層(630)施加于第一離聚物層(625)的表面上。在一些實(shí)例中，在濕潤(rùn)的情況下膜多孔增強(qiáng)層(630)可被滲透或浸潰了第一離聚物層(625)。將第一催化劑涂覆基底(620)、第一離聚物層(625)和膜多孔增強(qiáng)層(630)干燥。第一離聚物層(625)和膜多孔增強(qiáng)層(630)形成增強(qiáng)膜層(640)。
[0082]第二催化劑涂覆基底(645)形成具有任選的在第二催化劑涂覆基底(645)的表面上的粘性離聚物層(650)。第二催化劑涂覆基底(645)可包括在第二基底(646)上的第二電極層(648)。可以或者可以不利用第二多孔增強(qiáng)層(649)來(lái)增強(qiáng)第二電極層(648)。使第二離聚物溶液沉積在第二催化劑涂覆基底(645)上，以形成任選的粘性離聚物層(650)。將任選的粘性離聚物層(650)干燥。任選的粘性離聚物層(650)可用于促進(jìn)膜多孔增強(qiáng)層(630)與第二催化劑涂覆基底(645)之間的粘接。在一些實(shí)施例中，任選的粘性離聚物層(650)可用于促進(jìn)膜多孔增強(qiáng)層(630)與第二催化劑涂覆基底(645)的第二電極層之間的粘接。將具有形成在其上的增強(qiáng)膜層(640)的第一催化劑涂覆基底(620)與具有形成在其上的任選的粘性離聚物層(150)的第二催化劑涂覆基底(645)熱壓或?qū)訅旱揭黄?，以形成增?qiáng)的膜電極組件(655)。
[0083]圖6中所不的增強(qiáng)的膜電極組件(655)具有在第一基底(605)上的第一電極層(610)、在第一電極層(610)上的第一多孔增強(qiáng)層(615)。第一基底(605)、第一電極層(610)、和第一多孔增強(qiáng)層(615) 共同地構(gòu)成第一催化劑涂覆基底(620)。第一離聚物層(625)是在第一多孔增強(qiáng)層(615)上，膜多孔增強(qiáng)層(630)是在第一離聚物層(625)上。第一離聚物層(625)和膜多孔增強(qiáng)層(630)共同地構(gòu)成增強(qiáng)膜層(640)。任選的粘性離聚物層(650)是在膜多孔增強(qiáng)層(630)上，第二催化劑涂覆基底(645)是在任選的粘性離聚物層(650)上。
[0084]參照?qǐng)D7，示出了制造增強(qiáng)的膜電極組件的示例性方法(700)。在第一基底(705)的表面上，使電極墨沉積在第一基底(705)上以形成第一電極層(710)。在濕潤(rùn)的情況下將第一多孔增強(qiáng)層(715)施加于第一電極層(710)的表面，以形成第一催化劑涂覆基底(720)。在一些實(shí)例中，在濕潤(rùn)的情況下第一多孔增強(qiáng)層(715)可被滲透或浸潰了第一電極層(710)。將第一催化劑涂覆基底(720)干燥。使離聚物溶液沉積在第一催化劑涂覆基底(720)上，以形成第一離聚物層(725)。在濕潤(rùn)的情況下將膜多孔增強(qiáng)層(730)施加于第一離聚物層(725)的表面。在一些實(shí)例中，在濕潤(rùn)的情況下膜多孔增強(qiáng)層(730)可被滲透或浸潰了第一離聚物層(725)。將第一離聚物層(725)和膜多孔增強(qiáng)層(730)干燥。
[0085]提供第二催化劑涂覆基底(745)。第二催化劑涂覆基底(745)可包括在第二基底(746)上的第二電極層(748)。可以或者可以不利用第二多孔增強(qiáng)層(749)來(lái)增強(qiáng)第二電極層(748)。使第二離聚物溶液沉積在第二催化劑涂覆基底(745)上，以形成第二離聚物層(735)。將第二離聚物層(735)干燥。將具有形成在其上的第一離聚物層(725)和膜多孔增強(qiáng)層(730)的第一催化劑涂覆基底(720)與具有形成在其上的第二離聚物層(735)的第二催化劑涂覆基底(745)熱壓或?qū)訅旱揭黄穑孕纬稍鰪?qiáng)的膜電極組件(755)。
[0086]圖7中所示的增強(qiáng)的膜電極組件(755)具有在第一基底(705)上的第一電極層(710)、在第一電極層(710)上的第一多孔增強(qiáng)層(715)。第一基底(705)、第一電極層(710)、和第一多孔增強(qiáng)層(715)共同地構(gòu)成第一催化劑涂覆基底(720)。第一離聚物層(725)是在第一多孔增強(qiáng)層(715)上，膜多孔增強(qiáng)層(730)是在第一離聚物層(725)上。第二離聚物層(735)是在膜多孔增強(qiáng)層(730)上。第一離聚物層(725)、膜多孔增強(qiáng)層(730)、和第二離聚物層(735)共同地構(gòu)成增強(qiáng)膜層(740)。第二催化劑涂覆基底(745)是在第二離聚物層(735)上。
[0087]參照?qǐng)D8，描繪了制造增強(qiáng)的膜電極組件的示例性方法(800)。在第一基底(805)的表面上，使電極墨使沉積在第一基底(805)上以形成第一電極層(810)。在濕潤(rùn)的情況下將第一多孔增強(qiáng)層(815)施加于第一電極層(810)的表面，以形成第一催化劑涂覆基底(820)。在一些實(shí)例中，在濕潤(rùn)的情況下第一多孔增強(qiáng)層(815)可被滲透或浸潰了第一電極層(810)。使離聚物溶液沉積在第一催化劑涂覆基底(820)上，以形成第一離聚物層(825)。在濕潤(rùn)的情況下將膜多孔增強(qiáng)層(830)涂覆于第一離聚物層(825)的表面。在一些實(shí)例中，在濕潤(rùn)的情況下膜多孔增強(qiáng)層(830)可被滲透或浸潰了第一離聚物層(825)。將第一催化劑涂覆基底(820)、第一離聚物層(825)和膜多孔增強(qiáng)層(830)干燥。
[0088]提供第二催化劑涂覆基底(845)。第二催化劑涂覆基底(845)可包括在第二基底(846)上的第二電極層(848)。可以或者可以不利用第二多孔增強(qiáng)層(849)來(lái)增強(qiáng)第二電極層(848)。使第二離聚物溶液沉積在第二催化劑涂覆基底(845)上，以形成第二離聚物層(835)。將第二離聚物層(835)干燥。將具有形成在其上的第一離聚物層(825)和膜多孔增強(qiáng)層(830)的第一催化劑涂覆基底(820)與具有形成在其上的第二離聚物層(835)的第二催化劑涂覆基底(845)熱壓或?qū)訅旱揭黄?，以形成增?qiáng)的膜電極組件(855)。
[0089]圖8中所示的增強(qiáng)的膜電極組件(855)具有在第一基底(805)上的第一電極層(810)、在第一電極層(810)上的第一多孔增強(qiáng)層(815)。第一基底(805)、第一電極層(810)、和第一多孔增強(qiáng)層(815)共同地構(gòu)成第一催化劑涂覆基底(820)。第一離聚物層(825)是在第一多孔增強(qiáng)層(815)上，膜多孔增強(qiáng)層(830)是在第一離聚物層(825)上。第二離聚物層(835)是在膜多孔增強(qiáng)層(830)上。第一離聚物層(825)、膜多孔增強(qiáng)層(830)、和第二離聚物層(835)共同地構(gòu)成增強(qiáng)的膜層(840)。第二催化劑涂覆基底(845)是在第二離聚物層(835)上。
[0090]通過(guò)以下的非限制性實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明本文中所述的實(shí)施例。
[0091]SM
本發(fā)明的MEA
將含有負(fù)載量為0.2 mg Pt/cm2的Pt合金催化劑的陰極催化劑墨直接地涂覆于氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM)上以形成濕陰極層。在涂覆陰極墨之后，立即將一張膨體聚四氟乙烯(ePTFE)膜(Tetratex?，由Donaldson公司提供)層壓到濕陰極層的表面，以形成增強(qiáng)的陰極層。將該增強(qiáng)的陰極層在紅外(IR)燈下于400 T干燥10分鐘。
[0092]將含有碳酸鋪(III)的Naf1n?D2020離聚物溶液(可從E.1.DuPont de Nemoursand Company (美國(guó)特拉華州威爾明頓)獲得)的第一薄膜涂覆于經(jīng)干燥的催化劑涂覆基底的表面上，以形成具有約80微米的濕厚度的第一濕離聚物層。在涂覆后立即將一張膨體聚四氟乙烯(ePTFE)膜層壓到第一濕離聚物層的表面，以形成增強(qiáng)的離聚物層。將該增強(qiáng)的離聚物層在紅外燈下于400 T干燥6分鐘，結(jié)果形成具有約6-7微米的干厚度的增強(qiáng)的離聚物層。
[0093]將含有碳酸鈰(III)的Naf1n? D2020離聚物溶液的第二薄膜涂覆于經(jīng)干燥的催化劑涂覆基底的表面上，以形成具有約60微米的濕厚度的第二濕離聚物層。將第二濕離聚物層在紅外燈下于400 T干燥6分鐘，以形成具有約4-5微米的干厚度的第二離聚物層。增強(qiáng)的陰極層、增強(qiáng)的離聚物層、和第二離聚物層共同地構(gòu)成增強(qiáng)的陰極涂覆基底。將增強(qiáng)的陰極涂覆基底在惰性的氮?dú)鈿夥罩杏?00°C退火15分鐘。
[0094]將含有負(fù)載量為0.05 mg Pt/cm2的Pt/石墨化Vulcan催化劑的陽(yáng)極催化劑墨直接地涂覆于氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM)上，以形成濕陽(yáng)極層。將Naf1n? D2020離聚物溶液的薄膜涂覆于濕陽(yáng)極層上，以形成離聚物層?；?GDM)、陽(yáng)極層和離聚物層共同地構(gòu)成陽(yáng)極涂覆基底。將陽(yáng)極涂覆基底在紅外燈下于400 T干燥4分鐘，由此形成具有約0.9微米的干厚度的尚聚物層。
[0095]將陰極涂覆基底與陽(yáng)極涂覆基底熱壓到一起，以形成本發(fā)明的膜電極組件(MEA)。將本發(fā)明的MEA進(jìn)一步組裝到組合電極組件，以形成本發(fā)明的組合電極組件(UEA)。
[0096]參照MEA
將含有Pt合金催化劑(負(fù)載量為0.2 mg Pt/cm2)的陰極催化劑墨直接地涂覆于氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM)上，以形成陰極層。將該陰極層在紅外(IR)燈下于400 T干燥4分鐘。將含有碳酸鈰(III)的Naf1n? D2020離聚物溶液的薄膜涂覆于陰極層的表面上，以形成濕離聚物層?；?GDM)、陰極層和離聚物層共同地構(gòu)成陰極涂覆基底。將陰極涂覆基底在紅外燈下于400 T干燥4分鐘，由此形成具有約0.9微米的干厚度的離聚物層。
[0097]將含有Pt/石墨化Vulcan催化劑(負(fù)載量為0.05 mg Pt/cm2)的陽(yáng)極催化劑墨直接地涂覆于氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM)上，以形成陽(yáng)極層。將Naf1n? D2020離聚物溶液的薄膜涂覆于陽(yáng)極層上，以形成離聚物層?；?GDM)、陽(yáng)極層和離聚物層共同地構(gòu)成陽(yáng)極涂覆的基底。將該陽(yáng)極涂覆基底在紅外燈下于400 T干燥4分鐘，由此形成具有約0.9微米的干厚度的離聚物層。
[0098]將陰極涂覆基底、獨(dú)立的厚度為18微米的增強(qiáng)PFSA膜、和陽(yáng)極涂覆基底熱壓到一起，以形成參照MEA。以與本發(fā)明MEA相同的方式將該參照MEA組裝到組合電極組件中，以形成參照UEA。
[0099]本發(fā)明的UEA和參照UEA經(jīng)歷長(zhǎng)期性能和耐久性測(cè)試。參照?qǐng)D9，描繪了極化曲線(xiàn)，該極化曲線(xiàn)顯示隨時(shí)間推移的燃料電池性能。以1.5 A/cm2的電流密度、80°C的電池組溫度、1.5的陽(yáng)極化學(xué)計(jì)量比、1.8的陰極化學(xué)計(jì)量比、和191 kPa的絕對(duì)出口壓力，進(jìn)行用于極化曲線(xiàn)的測(cè)試。如圖中所示，雖然參照MEA在開(kāi)始時(shí)具有略微較好的電池電壓性能，但本發(fā)明的MEA最終顯示出較慢的電池電壓退化率，因而在大約1750小時(shí)后本發(fā)明的MEA與參照MEA之間性能大致相同。
[0100]參照?qǐng)D10，根據(jù)美國(guó)汽車(chē)研究公司理事會(huì)的用于PEM燃料電池的加速測(cè)試和極化曲線(xiàn)協(xié)議、用于確定電池/電池組耐久性的協(xié)議進(jìn)行電池組耐久性測(cè)試。用于氫氣橫越(hydrogen crossover)的測(cè)試過(guò)程是基于對(duì)穿過(guò)膜的氫分子的電化學(xué)檢測(cè)。為了該目的，在陽(yáng)極側(cè)用氫氣并在陰極側(cè)用空氣吹洗組合電極組件(UEA)。使用該協(xié)議，通過(guò)將電流密度保持穩(wěn)定在0.4 A/cm2，以1.5的化學(xué)計(jì)量比使氫氣流動(dòng)到陽(yáng)極，以4.0的化學(xué)計(jì)量比使空氣流動(dòng)到陰極，134 kPa(abs)的出口壓力、70°C的運(yùn)行溫度持續(xù)15分鐘，而使UEA變?yōu)槠胶鉅顟B(tài)。在15分鐘的平衡后，電流密度下降至O A/cm2(OCV-開(kāi)路電池電壓)，氣體仍然流動(dòng)并保持3分鐘。在3分鐘后，將流向陰極側(cè)的空氣關(guān)閉，隨時(shí)間的變化記錄電池電壓。電池電壓將隨著氫滲透而下降，這是膜退化的指標(biāo)。具體地，電池電壓下降至100 mV所用的時(shí)間是從這些數(shù)據(jù)獲得，該時(shí)間用于將各獨(dú)立電池與其它電池比較以及觀(guān)察膜的長(zhǎng)期耐久性。小于20秒的值通常被認(rèn)為是破壞極限。如圖10中描繪的表中所示，測(cè)量了在運(yùn)行數(shù)小時(shí)后對(duì)于本發(fā)明UEA下降至100 mV的運(yùn)行時(shí)間。在運(yùn)行時(shí)間超過(guò)2000小時(shí)之后，四個(gè)UEA顯示下降至100 mV的時(shí)間減??；然而，該時(shí)間的減小在可接受的極限內(nèi)并且表明本發(fā)明的MEA可以耐久使用超過(guò)2400小時(shí)。
[0101] 已參考本發(fā)明的具體實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，顯而易見(jiàn)的是在不背離所附權(quán)利要求中所定義的本發(fā)明范圍的前提下修改和變更是可能發(fā)生的。更具體地，盡管在本文中將本發(fā)明的一些方面確定為優(yōu)選的或特別有利的，但可以想到本發(fā)明未必局限于本發(fā)明的這些優(yōu)選方面。
【權(quán)利要求】
1.一種制造增強(qiáng)的膜電極組件的方法，包括: 使電極墨沉積在第一基底上，以形成第一電極層； 將第一多孔增強(qiáng)層施加于所述第一電極層的表面上，以形成第一催化劑涂覆基底； 使第一離聚物溶液沉積在所述第一催化劑涂覆基底上，以形成第一離聚物層；以及 將膜多孔增強(qiáng)層涂覆于所述第一離聚物層的表面上，以形成增強(qiáng)的膜層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法還包括: 使第二離聚物溶液沉積在所述膜多孔增強(qiáng)層上以形成第二離聚物層，其中所述第一離聚物層、膜多孔增強(qiáng)層和第二離聚物層共同地形成所述增強(qiáng)的膜層； 將所述增強(qiáng)的膜層干燥；以及 將所述增強(qiáng)的膜層的第二離聚物層結(jié)合到第二催化劑涂覆基底的電極層，以形成所述增強(qiáng)的膜電極組件。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述方法還包括:在所述第二催化劑涂覆基底的電極層上形成粘性離聚物層，并且其中第二離聚物層被結(jié)合到所述第二催化劑涂覆基底，使得所述粘性離聚物層位于所述第二離聚物層和所述第二催化劑涂覆基底的電極層之間并促進(jìn)這兩層之間的粘接。
4.如權(quán)利要求1所述 的方法，其中所述方法還包括: 使第二離聚物溶液沉積在第二催化劑涂覆基底的電極層上，以便在所述第二催化劑涂覆基底的電極層上形成第二離聚物層；以及 將所述第二離聚物層結(jié)合到所述增強(qiáng)的膜層，以形成所述增強(qiáng)的膜電極組件。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法還包括: 將所述增強(qiáng)的膜層結(jié)合到第二催化劑涂覆基底的電極層，以形成所述增強(qiáng)的膜電極組件。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述方法還包括:在所述第二催化劑涂覆基底的電極層上形成粘性離聚物層，并且其中將所述增強(qiáng)的膜層結(jié)合到所述第二催化劑涂覆基底，使得所述粘性離聚物層位于所述增強(qiáng)的膜層和所述第二催化劑涂覆基底的電極層之間并促進(jìn)這兩層之間的粘接。
7.如權(quán)利要求1所述的方法,其中所述方法還包括:用在溶劑中包含從約0.2至約2重量％的磺化全氟環(huán)丁烷、全氟磺酸離聚物或者其混合物的表面活性劑溶液，對(duì)所述膜多孔增強(qiáng)層進(jìn)行預(yù)處理；以及將所述膜多孔增強(qiáng)層干燥。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一基底是貼花基底，并且所述方法還包括將所述電極層從所述貼花基底轉(zhuǎn)印到無(wú)微孔層的氣體擴(kuò)散層、帶微孔層的氣體擴(kuò)散介質(zhì)、或者自支撐的微孔層。
9.一種增強(qiáng)的電極組件，包括: 第一催化劑涂覆基底，所述第一催化劑涂覆基底包括在第一基底上的第一電極層、和在所述第一電極層上的第一多孔增強(qiáng)層；以及 位于所述第一催化劑涂覆基底上的增強(qiáng)膜層，所述增強(qiáng)膜層包括在所述第一多孔增強(qiáng)層上的第一離聚物層、和在所述第一離聚物層上的膜多孔增強(qiáng)層。
10.一種燃料電池，包括: 增強(qiáng)的電極組件，所述增強(qiáng)的電極組件包括:第一催化劑涂覆基底，所述第一催化劑涂覆基底包括在第一基底上的第一電極層、和在所述第一電極層上的第一多孔增強(qiáng)層； 位于所述第一催化劑涂覆基底上的增強(qiáng)的膜層，所述增強(qiáng)的膜層包括第一離聚物層和在所述第一離聚物層上的膜多孔增強(qiáng)層； 位于所述增強(qiáng)的膜層上的第二催化劑涂覆基底，所述第二催化劑涂覆基底包括在第二基底上的第二電極層和在所述第二電極層上的第二多孔增強(qiáng)層；以及 一對(duì)板，所述一對(duì)板位于所述第一催化劑涂覆基底和所述第二催化劑涂覆基底的基底側(cè)上。
【文檔編號(hào)】H01M4/86GK104051747SQ201410094452
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】S.C.穆斯, J.P.希利, B.M.霍塔林, T.J.富勒 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司