專利名稱：用于燃料電池的膜電極組件的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的膜電極組件，更具體地，本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的膜電極組件，其包括擴散層和/或支撐層，該擴散層和/或支撐層選擇性地包含改善燃料電池的性能所需的親水性材料、疏水性材料、多孔性材料、含水材料等中的一種或多種。
背景技術(shù)：
燃料電池為一種將來自氫和氧之間，或者包含在烴-基物質(zhì)如甲醇、乙醇或天然氣中的氫和氧之間的化學反應的能量直接轉(zhuǎn)化成電能的能量產(chǎn)生系統(tǒng)。根據(jù)所采用的電解質(zhì)，燃料電池可以分為磷酸型燃料電池，熔融碳酸鹽型燃料電池，固體氧化物型燃料電池，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，堿性燃料電池等。這些燃料電池按照相同的原理運行，但是具有不同的燃料，不同的工作溫度，不同的催化劑，及不同的電解質(zhì)。
燃料電池系統(tǒng)中實質(zhì)上發(fā)電的燃料電池組通常具有包括多個單元電池的堆疊結(jié)構(gòu)，單元電池包括膜電極組件(MEA)和隔板或雙極板。MEA的結(jié)構(gòu)包括陽極，即燃料電極或氧化電極；陰極，即空氣電極或還原電極；及介于其間彼此緊密接觸的聚合物電解質(zhì)膜。
換言之，電解質(zhì)膜位于MEA的中心，電極(陰極和陽極)布置在電解質(zhì)膜的兩側(cè)。電極包括催化劑層，擴散層，及支撐層。在常規(guī)燃料電池中，聚集電極中所產(chǎn)生的電流并將所聚集的電流輸送至外電路的集電體位于支撐層的外側(cè)。因而，擴散層和支撐層應該是導電的，使得催化劑層中產(chǎn)生的電流能夠流向集電體。
同時，擴散層和支撐層可以是多孔的以分散材料，可以是疏水的以迅速排出所產(chǎn)生的水，或者可以是親水的和/或含水的以平穩(wěn)地提供水。然而，因為形成擴散層和支撐層的材料還應該是導電的，所以形成擴散層和支撐層的材料必定受到限制，因而燃料電池的性能受到限制。
僅對改善導電的擴散層和支撐層的其它性質(zhì)進行了研究。并未研究通過改變集電體的位置來發(fā)展用于擴散層和支撐層的材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于燃料電池的膜電極組件結(jié)構(gòu)，其包括不導電的擴散層。
本發(fā)明還提供一種包括該膜電極組件的燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于燃料電池的膜電極組件，其包括電解質(zhì)膜；形成于該電解質(zhì)膜兩側(cè)的陽極集電體和陰極集電體；形成于陽極集電體上的陽極催化劑層和形成于陰極集電體上的陰極催化劑層；及形成于陽極催化劑層上的陽極擴散層和形成于陰極催化劑層上的陰極擴散層，其中所述陽極擴散層和陰極擴散層是不導電的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種用于燃料電池的膜電極組件，其包括電解質(zhì)膜；形成于該電解質(zhì)膜兩側(cè)的陽極催化劑層和陰極催化劑層；形成于陽極催化劑層上的陽極集電體和形成于陰極催化劑層上的陰極集電體；及形成于陽極集電體上的陽極擴散層和形成于陰極集電體上的陰極擴散層，其中所述陽極擴散層和陰極擴散層是不導電的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種包括所述膜電極組件的燃料電池。


通過參照附圖詳述其示例性實施方案，本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點將變得更加顯而易見，附圖中圖1為用于燃料電池的常規(guī)膜電極組件結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖2A和圖2B為根據(jù)本發(fā)明實施方案的燃料電池的膜電極組件結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖3為實施例和對比例的燃料電池的試驗結(jié)果示意圖；及圖4為實施例和對比例的燃料電池的試驗結(jié)果示意圖。
具體實施例方式
在下文中，現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，附圖中圖示了本發(fā)明的示例性實施方案。
根據(jù)本發(fā)明實施方案的用于燃料電池的膜電極組件包括電解質(zhì)膜；形成于該電解質(zhì)膜兩側(cè)的陽極集電體和陰極集電體；形成于陽極集電體上的陽極催化劑層和形成于陰極集電體上的陰極催化劑層；及形成于陽極催化劑層上的陽極擴散層和形成于陰極催化劑層上的陰極擴散層，其中所述陽極擴散層和陰極擴散層是不導電的。
作為選擇，根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的用于燃料電池的膜電極組件包括電解質(zhì)膜；形成于該電解質(zhì)膜兩側(cè)的陽極催化劑層和陰極催化劑層；形成于陽極催化劑層上的陽極集電體和形成于陰極催化劑層上的陰極集電體；及形成于陽極集電體上的陽極擴散層和形成于陰極集電體上的陰極擴散層，其中所述陽極擴散層和陰極擴散層是不導電的。
具有1S/cm或更大的電導率的過渡金屬可以用作集電體，可以優(yōu)選使用Au、Ag、Al、Ni、Cu、Pt、Ti、Mn、Zn、Fe、Sn及其合金來形成集電體。另外，可以使用導電聚合物如聚苯胺作為集電體。
集電體可以直接形成于電解質(zhì)膜或電極催化劑層上。作為選擇，集電體可以獨立地制備并結(jié)合到電解質(zhì)膜或電極催化劑層上。在電解質(zhì)膜或電極催化劑層上直接形成集電體的方法可以為濺射，化學氣相沉積(CVD)，或者電沉積。獨立地制備集電體并將其結(jié)合到電解質(zhì)膜或電極催化劑層上的方法可以為利用柔性印刷電路板(FPCB)，其中導電金屬形成于金屬網(wǎng)或支撐體上。該支撐體可以為例如導電聚合物薄膜。
將參照圖1、圖2A和圖2B描述膜電極組件的結(jié)構(gòu)。
圖1為用于燃料電池的常規(guī)膜電極組件結(jié)構(gòu)的剖視圖，圖2A和圖2B為根據(jù)本發(fā)明實施方案的用于燃料電池的膜電極組件結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖1所示的用于燃料電池的常規(guī)膜電極組件包括位于中心的電解質(zhì)膜10，及在電解質(zhì)膜10一側(cè)的陽極催化劑層21和在電解質(zhì)膜10另一側(cè)的陰極催化劑層22。陽極擴散層31形成于陽極催化劑層21上，陰極擴散層32形成于陰極催化劑層22上。陽極支撐層41形成于陽極擴散層31上，陰極支撐層42形成于陰極擴散層32上。陽極集電體51可以形成于陽極支撐層41上，陰極集電體52可以形成于陰極支撐層42上。
因而，介于陽極催化劑層和陰極催化劑層21和22以及陽極集電體和陰極集電體51和52之間的陽極擴散層和陰極擴散層31和32以及陽極支撐層和陰極支撐層41和42應該是導電的，以便陽極催化劑層和陰極催化劑層21和22中產(chǎn)生的電流能夠流向陽極集電體和陰極集電體51和52。
然而，參照圖2A，根據(jù)本發(fā)明實施方案的用于燃料電池的膜電極組件包括位于中心的電解質(zhì)膜10，在電解質(zhì)膜10一側(cè)的陽極集電體51，及在電解質(zhì)膜10另一側(cè)的陰極集電體52。陽極催化劑層21形成于陽極集電體51上，陰極催化劑層22形成于陰極集電體52上。陽極擴散層31形成于陽極催化劑層21上，陰極擴散層32形成于陰極催化劑層22上。陽極支撐層41可以形成于陽極擴散層31上，陰極支撐層42可以形成于陰極擴散層32上。
另外，如圖2A所示，陽極集電體51和陰極集電體52可以介于電解質(zhì)膜10與陽極催化劑層和陰極催化劑層21和22之間，但是如圖2B所示，陽極集電體51和陰極集電體52可以介于陽極催化劑層和陰極催化劑層21和22及陽極擴散層和陰極擴散層31和32之間。
所以，在根據(jù)本發(fā)明實施方案的圖2A和圖2B所示的膜電極組件中，對于電極催化劑層和集電體之間的電流，電極催化劑層中產(chǎn)生的電流不需要穿過擴散層和支撐層，因而擴散層和支撐層不需要是導電的。因此，常規(guī)膜電極組件的催化劑層中產(chǎn)生的電子穿過擴散層和支撐層時產(chǎn)生的電阻，沒有在根據(jù)本發(fā)明實施方案的膜電極組件中產(chǎn)生。另外，可以使用各種其它材料形成擴散層，以改善本發(fā)明的燃料電池的性能，而沒有導電性的限制。
另外，因為膜電極組件可以以低能量快速制備，所以根據(jù)本發(fā)明實施方案的膜電極組件的制造成本可以顯著降低。
擴散層可以為疏水的、親水的、多孔的和/或含水的。
擴散層可以具有疏水性或親水性，以迅速排出在電極催化劑層中形成的水或者使空氣平穩(wěn)地流動。此處，擴散層中的疏水性材料可以為下列中的一種聚乙烯-基聚合物樹脂，聚苯乙烯-基聚合物樹脂，氟-基聚合物樹脂，聚丙烯-基聚合物樹脂，聚甲基丙烯酸甲酯-基聚合物樹脂，聚酰亞胺-基聚合物樹脂，聚酰胺-基聚合物樹脂，聚對苯二甲酸乙二酯-基聚合物樹脂，及其混合物，但不限于此。
擴散層還可以是親水的，以平穩(wěn)地提供水，并且擴散層中的親水性材料可以為下列中的一種在一端包含羥基、羧基、胺基或砜基的聚合物樹脂，聚乙烯醇-基聚合物樹脂，纖維素-基聚合物樹脂，聚乙烯胺-基聚合物樹脂，聚環(huán)氧乙烷-基聚合物樹脂，聚乙二醇-基聚合物樹脂，尼龍-基聚合物樹脂，聚丙烯酸酯-基聚合物樹脂，聚酯-基聚合物樹脂，聚乙烯基吡咯烷酮-基聚合物樹脂，乙烯乙酸乙烯酯-基樹脂，及其混合物，但不限于此。
擴散層還可以是含水的，以平穩(wěn)地提供水，除了上述親水性材料之外，擴散層中的含水材料可以為金屬氧化物如Al2O3、ZrO2和TiO2，及SiO2中的一種，但不限于此。
擴散層還可以是多孔的，以平穩(wěn)地提供氧化劑如空氣，擴散層中的多孔性材料可以為多孔性聚合物樹脂或其它顆粒物。多孔性材料可以為上述的親水性或疏水性材料，但不限于此。
多孔性材料的孔隙的平均直徑可以為3nm～500μm。當多孔性材料的孔隙的直徑小于3nm時，壓力急劇下降并且氣體擴散不能適當?shù)剡M行。當多孔性材料的孔隙的直徑大于500μm時，氣體擴散會不均勻。
多孔性材料的空隙率可以為20～90％。當多孔性材料的空隙率小于20％時，氣體擴散不能適當?shù)剡M行。當多孔性材料的空隙率大于90％時，擴散層的力學強度會大大降低。
上述可以為疏水的、親水的、含水的或多孔的非導電性材料，可以為顆粒物。該顆粒物可以具有棒形、球形、纖維形或其它不規(guī)則形狀，但是對顆粒物的形狀沒有限制。非導電性顆粒物的顆粒的尺寸可以為50nm～500μm。當顆粒的尺寸在該范圍內(nèi)時，可以實現(xiàn)孔隙的適當?shù)闹睆胶瓦m宜的空隙率。
為了利用所述顆粒物形成擴散層，可以使用粘結(jié)劑來粘結(jié)非導電性顆粒物。該粘結(jié)劑可以為聚合物材料如聚偏二氟乙烯(PVdF)，或者上述的親水性或疏水性聚合物材料，但不限于此。
粘結(jié)劑的量按非導電性材料和粘結(jié)劑的混合物的重量計可以為20～90％重量。當粘結(jié)劑的量小于20％重量時，由于非導電性材料顆粒之間的結(jié)合不充分，所以擴散層在力學上會不夠牢固。當粘結(jié)劑的量大于90％重量時，不會充分地實現(xiàn)非導電性材料所需的性質(zhì)。
通過層壓上述具有不同性質(zhì)的各層，可以制備擴散層。單一擴散層也可同時具有兩種或多種上述性質(zhì)。
另外，根據(jù)本發(fā)明實施方案的膜電極組件還可以包括形成于陽極擴散層和陰極擴散層上的支撐層。
因為在電極催化劑層中產(chǎn)生的電流不需要穿過支撐層到達集電體，所以支撐層不必是導電的。
因此，支撐層可以由非導電性材料、導電性材料及其混合物中的一種構(gòu)成。非導電性材料可以為顆粒物。該顆粒物可以具有棒形、球形、纖維形或其它不規(guī)則形狀，但是顆粒物的形狀不限于此。非導電性顆粒物的顆粒的尺寸可以為50nm～500μm。當顆粒的尺寸在該范圍內(nèi)時，可以實現(xiàn)孔隙的適當?shù)闹睆胶瓦m宜的空隙率。
當非導電性材料不能形成板時，可以使用粘結(jié)劑來粘結(jié)非導電性材料以形成板。所述粘結(jié)劑可以為任何聚合物樹脂。具體地，粘結(jié)劑可以為上述的親水性或疏水性聚合物材料，例如聚偏二氟乙烯(PVdF)，但不限于此。
粘結(jié)劑的量按支撐層的重量計可以為10～90％重量。當粘結(jié)劑的量小于10％重量時，由于非導電性材料顆粒之間的結(jié)合不充分，所以支撐層在力學上會不夠牢固。當粘結(jié)劑的量大于90％重量時，不會充分地實現(xiàn)非導電性材料的性質(zhì)。
另外，可以使用各種其它材料形成支撐層，以改善燃料電池的性能，而沒有導電性的限制。
如上述擴散層一樣，支撐層也可以為疏水的、親水的、多孔的和/或含水的。
支撐層可以具有疏水性或親水性，以迅速排出電極中形成的水或使空氣平穩(wěn)地流動。此處，支撐層中的疏水性材料可以為下列中的一種聚乙烯-基聚合物樹脂，聚苯乙烯-基聚合物樹脂，氟-基聚合物樹脂，聚丙烯-基聚合物樹脂，聚甲基丙烯酸甲酯-基聚合物樹脂，聚酰亞胺-基聚合物樹脂，聚酰胺-基聚合物樹脂，聚對苯二甲酸乙二酯-基聚合物樹脂，及其混合物，但不限于此。
支撐層還可以是親水的，以平穩(wěn)地提供水，支撐層中的親水性材料可以為下列中的一種在一端包含羥基、羧基、胺基或砜基的聚合物樹脂，聚乙烯醇-基聚合物樹脂，纖維素-基聚合物樹脂，聚乙烯胺-基聚合物樹脂，聚環(huán)氧乙烷-基聚合物樹脂，聚乙二醇-基聚合物樹脂，尼龍-基聚合物樹脂，聚丙烯酸酯-基聚合物樹脂，聚酯-基聚合物樹脂，聚乙烯基吡咯烷酮-基聚合物樹脂，乙烯乙酸乙烯酯-基樹脂，及其混合物，但不限于此。
支撐層還可以是含水的，以平穩(wěn)地提供水，除了上述親水性材料之外，支撐層中的含水材料可以為下列中的一種金屬氧化物如Al2O3、ZrO2和TiO2，及SiO2，但不限于此。
支撐層還可以是多孔的，以平穩(wěn)地提供氧化劑如空氣，支撐層中的多孔性材料可以為多孔性聚合物樹脂或其它顆粒物。多孔性材料可以為上述的親水性或疏水性材料，但不限于此。
多孔性材料的孔隙的平均直徑可以為0.1μm～1mm。當多孔性材料的孔隙的直徑小于0.1μm時，壓力急劇下降并且氣體擴散不能很好地進行。當多孔性材料的孔隙的直徑大于1mm時，氣體擴散會不均勻。
多孔性材料的空隙率可以為10～90％。當多孔性材料的空隙率小于10％時，氣體擴散不能很好地進行。當多孔性材料的空隙率大于90％時，支撐層的力學強度會大大降低。
因為支撐層不必是導電的，所以支撐層可以由導電性材料如金屬和碳-基材料，或者陶瓷材料構(gòu)成。
碳-基材料可以為碳纖維，炭紙，炭布，碳納米管，碳納米纖維，碳納米角，碳納米環(huán)，炭黑，石墨，富勒烯，活性炭，乙炔黑等。
陶瓷材料可以為金屬氧化物如氧化鋁、氧化鎢、氧化鎳、氧化釩、氧化鋯和二氧化鈦，二氧化硅-基化合物如沸石，粘土如蒙脫石、膨潤土和莫來石，碳化硅，或者堇青石，但不限于此。
通過層壓具有不同的上述性質(zhì)的各層，可以制備支撐層。單一支撐層還可以同時具有兩種或多種上述性質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明實施方案，提供了包括本發(fā)明的膜電極組件的燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明的當前實施方案的燃料電池包括具有如上所述結(jié)構(gòu)的膜電極組件。本實施方案的燃料電池可以用于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，直接甲醇燃料電池(DMFC)，磷酸燃料電池(PAFC)等中。具體地，本實施方案的燃料電池可以更有效地用于PEMFC和DMFC中。
本實施方案的燃料電池可以利用各種已知的方法制備，而沒有具體限制。在本文中不公開該已知方法的詳細說明。
將參照下面的實施例更詳細地描述本發(fā)明。下面的實施例僅是為了說明性目的，而不是限制本發(fā)明的范圍。
實施例1通過攪拌60分鐘，將7g有序的(ordered)中孔二氧化硅(OMS)和3gPVdF充分分散在20ml丙酮中，制備第一分散體。通過攪拌60分鐘，將7g二氧化硅(SiO2)和3g PVdF充分分散在20ml丙酮中，制備第二分散體。將3cm×3cm網(wǎng)狀鎳集電體布置在電解質(zhì)膜(Nafion 112)的兩側(cè)，接著將商業(yè)上可以得到的其中鉑擔載在碳上的催化劑層布置在集電體上。
將第一和第二分散體噴涂在催化劑層上并在室溫下干燥約10分鐘，形成擴散層。此處，噴涂第一分散體形成陰極擴散層，噴涂第二分散體形成陽極擴散層。然后，將炭紙(得自東麗株式會社(Toray Industries，Inc.))布置在陽極擴散層上形成陽極支撐層，將包含20％重量的PTFE的炭紙布置在陰極擴散層上形成陰極支撐層并完成膜電極組件的形成。
實施例1的膜電極組件的結(jié)構(gòu)總結(jié)于下表1中。
采用上面實施例1中制得的膜電極組件制備DMFC，向陽極提供3M甲醇溶液并手動地向陰極提供空氣，以測量DMFC的性能。結(jié)果示于圖3和圖4中。
實施例2通過攪拌60分鐘，將7g納米尺寸的二氧化硅和3g PVdF充分分散在20ml丙酮中，制備第一分散體。通過攪拌60分鐘，將7g二氧化硅(SiO2)和3g PVdF充分分散在20ml丙酮中，制備第二分散體。將3cm×3cm網(wǎng)狀鎳集電體布置在電解質(zhì)膜(Nafion 112)的兩側(cè)，接著將商業(yè)上可以得到的其中鉑擔載在碳上的催化劑層布置在集電體上。將第一和第二分散體噴涂在催化劑層上并在室溫下干燥約10分鐘，形成擴散層。此處，噴涂第一分散體形成陰極擴散層，噴涂第二分散體形成陽極擴散層。然后，將炭紙(得自東麗株式會社)布置在陽極擴散層上形成陽極支撐層，將包含20％重量的PTFE的炭紙布置在陰極擴散層上形成陰極支撐層并完成膜電極組件的形成。
實施例2的膜電極組件的結(jié)構(gòu)總結(jié)于下表1中。
采用上面實施例2中制得的膜電極組件制備DMFC，向陽極提供3M甲醇溶液并手動地向陰極提供空氣，以測量DMFC的性能。結(jié)果示于圖3和圖4中。
實施例3通過攪拌60分鐘，將7g炭粉和3g PTFE充分分散在20ml異丙醇中，制備分散體。將商業(yè)上可以得到的其中鉑擔載在碳上的催化劑層布置在電解質(zhì)膜(Nafion 112)的兩側(cè)。將分散體噴涂在催化劑層上并在360℃的爐子中燒結(jié)40分鐘。然后，將炭紙(得自東麗株式會社)布置在陽極擴散層上形成陽極支撐層，將包含20％重量的PTFE的炭紙布置在陰極擴散層上形成陰極支撐層。將Ni-網(wǎng)集電體布置在陽極和陰極支撐層上，完成膜電極組件的形成。
實施例3的膜電極組件的結(jié)構(gòu)總結(jié)于下表1中。
采用上面實施例3中制得的膜電極組件制備DMFC，向陽極提供3M甲醇溶液并手動地向陰極提供空氣，以測量DMFC的性能。結(jié)果示于圖3和圖4中。
實施例4通過攪拌60分鐘，將7g納米尺寸的二氧化鈦和3g PVdF充分分散在20ml丙酮中，制備第一分散體。通過攪拌60分鐘，將7g二氧化硅(SiO2)和3g PVdF充分分散在20ml丙酮中，制備第二分散體。將商業(yè)上可以得到的其中鉑擔載在碳上的催化劑層布置在電解質(zhì)膜(Nafion 112)的兩側(cè)，接著將3cm×3cm網(wǎng)狀鎳集電體布置在催化劑層上。將第一和第二分散體噴涂在催化劑層上并在室溫下干燥約10分鐘形成擴散層。此處，噴涂第一分散體形成陰極擴散層，噴涂第二分散體形成陽極擴散層。然后，將炭紙(得自東麗株式會社)沉積在陽極擴散層上形成陽極支撐層，將包含20％重量的PTFE的炭紙沉積在陰極擴散層上形成陰極支撐層并完成膜電極組件的形成。
實施例4的膜電極組件的結(jié)構(gòu)總結(jié)于下表1中。
采用上面實施例4中制得的膜電極組件制備DMFC，向陽極提供3M甲醇溶液并手動地向陰極提供空氣，以測量DMFC的性能。結(jié)果示于圖3和圖4中。
對比例通過攪拌60分鐘，將7g炭粉和3g PTFE充分分散在20ml異丙醇中，制備分散體。將商業(yè)上可以得到的其中鉑擔載在碳上的催化劑層布置在電解質(zhì)膜(Nafion 112)的兩側(cè)。將分散體噴涂在催化劑層上并在360℃的爐子中燒結(jié)40分鐘。然后，將炭紙(得自東麗株式會社)布置在陽極擴散層上形成陽極支撐層，將包含20％重量的PTFE的炭紙沉積在陰極擴散層上形成陰極支撐層。將Ni-網(wǎng)集電體布置在陽極和陰極支撐層上，完成膜電極組件的形成。
對比例的膜電極組件的結(jié)構(gòu)總結(jié)于下表1中。
采用上面的對比例中制得的膜電極組件制備DMFC，向陽極提供3M甲醇溶液并手動地向陰極提供空氣，以測量DMFC的性能。結(jié)果示于圖3和圖4中。在圖4中，I是指電流密度，E是指電池電壓。
表1

a集電體介于電解質(zhì)膜和催化劑層之間。
b集電體位于膜電極組件的外部。
c集電體介于催化劑層和擴散層之間。
如圖3所示，得自實施例1至4的燃料電池的電功率遠大于得自對比例的燃料電池的電功率。如圖4所示，得自實施例1至4的燃料電池的性能大大好于得自對比例的燃料電池的性能。這是由于當電流遷移至集電體時電阻降低，穿過利用多孔性材料如中孔二氧化硅的擴散層的燃料的平穩(wěn)提供，及水的平穩(wěn)提供和排出。具體地，用于實施例1、2和4中的OMS和SiO2的疏水性有助于燃料的均勻提供和水的平穩(wěn)排出。
在對比例中，擴散層應該在360℃下燒結(jié)40分鐘；然而，實施例1至4的擴散層僅通過在室溫下干燥10分鐘來制備。因而，可以節(jié)省用于制備本發(fā)明的燃料電池的能量和時間。
根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池的膜電極組件，通過靠近電極催化劑層安裝集電體，可以包括不導電的擴散層和支撐層。因而，擴散層和支撐層中可以采用各種材料，從而改善燃料電池的性能，所述材料為親水的、疏水的、多孔的、含水的等。
另外，能夠降低本發(fā)明的用于燃料電池的膜電極組件的制造成本，因為膜電極組件可以利用低能量迅速制備。
盡管已經(jīng)參照其示例性實施方案具體地說明和描述了本發(fā)明，但是本領域的普通技術(shù)人員將會理解其中可以進行各種形式和細節(jié)上的變化，而不脫離如所附的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的膜電極組件，包括電解質(zhì)膜；形成于該電解質(zhì)膜兩側(cè)的陽極集電體和陰極集電體；形成于陽極集電體上的陽極催化劑層和形成于陰極集電體上的陰極催化劑層；及形成于陽極催化劑層上的陽極擴散層和形成于陰極催化劑層上的陰極擴散層，其中所述陽極擴散層和陰極擴散層是不導電的。
2.一種用于燃料電池的膜電極組件，包括電解質(zhì)膜；形成于該電解質(zhì)膜兩側(cè)的陽極催化劑層和陰極催化劑層；形成于陽極催化劑層上的陽極集電體和形成于陰極催化劑層上的陰極集電體；及形成于陽極集電體上的陽極擴散層和形成于陰極集電體上的陰極擴散層，其中所述陽極擴散層和陰極擴散層是不導電的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的膜電極組件，其中所述陽極擴散層和陰極擴散層各自由一種選自下列中的材料構(gòu)成疏水性材料，親水性材料，含水材料，多孔性材料，及其混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的膜電極組件，其中所述疏水性材料為一種選自下列中的材料聚乙烯-基聚合物樹脂，聚苯乙烯-基聚合物樹脂，氟-基聚合物樹脂，聚丙烯-基聚合物樹脂，聚甲基丙烯酸甲酯-基聚合物樹脂，聚酰亞胺-基聚合物樹脂，聚酰胺-基聚合物樹脂，聚對苯二甲酸乙二酯-基聚合物樹脂，及其混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的膜電極組件，其中所述親水性材料為一種選自下列中的材料在一端包含羥基、羧基、胺基或砜基的聚合物樹脂，聚乙烯醇-基聚合物樹脂，纖維素-基聚合物樹脂，聚乙烯胺-基聚合物樹脂，聚環(huán)氧乙烷-基聚合物樹脂，聚乙二醇-基聚合物樹脂，尼龍-基聚合物樹脂，聚丙烯酸酯-基聚合物樹脂，聚酯-基聚合物樹脂，聚乙烯基吡咯烷酮-基聚合物樹脂，乙烯乙酸乙烯酯-基樹脂，及其混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的膜電極組件，其中所述含水材料為一種選自下列中的材料在一端包含羥基、羧基、胺基或砜基的聚合物樹脂，聚乙烯醇-基聚合物樹脂，纖維素-基聚合物樹脂，聚乙烯胺-基聚合物樹脂，聚環(huán)氧乙烷-基聚合物樹脂，聚乙二醇-基聚合物樹脂，尼龍-基聚合物樹脂，聚丙烯酸酯-基聚合物樹脂，聚酯-基聚合物樹脂，聚乙烯基吡咯烷酮-基聚合物樹脂，乙烯乙酸乙烯酯-基樹脂，Al2O3，ZrO2，TiO2，SiO2，及其混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的膜電極組件，其中所述多孔性材料的孔隙的平均直徑為3nm～500μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求3的膜電極組件，其中所述多孔性材料的空隙率為10～90％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2的膜電極組件，其中所述陽極擴散層和陰極擴散層還包含粘結(jié)劑，該粘結(jié)劑的量按非導電性材料和粘結(jié)劑的混合物的重量計為20～90％重量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2的膜電極組件，還包括形成于每一個陽極擴散層和陰極擴散層上的支撐層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的膜電極組件，其中所述支撐層由一種選自下列中的材料構(gòu)成非導電性材料，導電性材料，及其混合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的膜電極組件，其中所述支撐層還包含粘結(jié)劑，該粘結(jié)劑的量按支撐層的重量計為10～90％重量。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的膜電極組件，其中所述支撐層由多孔性材料構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的用于燃料電池的膜電極組件，其中所述多孔性材料中的孔隙的平均直徑為0.1μm～1mm。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的膜電極組件，其中所述多孔性材料的空隙率為10～90％。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的膜電極組件，其中所述支撐層由一種選自下列中的材料構(gòu)成金屬，陶瓷，及碳-基材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求1或2的膜電極組件，其中所述陽極集電體和陰極集電體各自獨立地由一種選自下列中的材料構(gòu)成Au，Ag，Al，Ni，Cu，Pt，Ti，Mn，Zn，F(xiàn)e，Sn，及其合金。
18.根據(jù)權(quán)利要求1或2的膜電極組件，其中所述陽極集電體和陰極集電體各自包括其中導電金屬形成于導電聚合物薄膜上的柔性印刷電路板(FPCB)。
19.一種燃料電池，其包括權(quán)利要求1或2的膜電極組件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于燃料電池的膜電極組件，更具體地，本發(fā)明提供一種用于燃料電池的膜電極組件，其通過靠近電極催化劑層安裝集電體，消除了擴散層和支撐層應該是導電的這一限制。所述膜電極組件通過靠近電極催化劑層安裝集電體，可以包括不導電的擴散層和支撐層。因而，擴散層和支撐層中可以采用各種材料，從而改善燃料電池的性能，所述材料為親水的、疏水的、多孔的、含水的等。另外，因為膜電極組件可以利用低能量迅速制備，所以可以降低膜電極組件的制造成本。
文檔編號H01M8/02GK1921192SQ200610121579
公開日2007年2月28日 申請日期2006年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月23日
發(fā)明者吳柾旻, 金惠慶, 金之來, 金峻熙, 李云會, 朱相熏 申請人:三星Sdi株式會社