專利名稱：用于優(yōu)化膜電極組件性能的控制參數(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請是于2004年1月22日提出申請的美國專利申請序列號(hào)No.10/763,633的部分繼續(xù)申請，其全部內(nèi)容通過引用而清楚地結(jié)合于本文中。
本發(fā)明大體上涉及用于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的膜電極組件(MEA)，更具體地說，本發(fā)明涉及用于PEMFC的MEA，其中陽極催化劑層和/或陰極催化劑層形成于多孔和/或無孔的支撐體(support)上，其中，離聚物材料以在最靠近膜層處具有較高離聚物含量并且在最遠(yuǎn)離膜層處具有較低離聚物含量層的梯度，而結(jié)合在所述支撐體中。另外，本發(fā)明涉及離聚物梯度連同涂覆有催化劑的擴(kuò)散介質(zhì)一起而形成，其中，涂覆有催化劑的擴(kuò)散介質(zhì)被熱壓在膜上，所述膜還可能設(shè)有形成在其上的催化劑層。
背景技術(shù)：
氫是極具吸引力的燃料，因?yàn)樗乔鍧嵢剂?，而且可用于在燃料電池中高效地產(chǎn)生電能。汽車工業(yè)花費(fèi)大量資源來開發(fā)氫燃料電池以作為汽車的動(dòng)力源。這樣的汽車會(huì)更加高效，并且與現(xiàn)今使用內(nèi)燃機(jī)的汽車相比所產(chǎn)生的排放物更少。
氫燃料電池是電化學(xué)裝置，包括陽極和陰極以及在這兩者之間的電解質(zhì)。陽極接受氫氣，而陰極接受氧氣或空氣。氫氣在陽極被氧化而產(chǎn)生自由的氫質(zhì)子和電子。氫質(zhì)子通過電解質(zhì)到達(dá)陰極。氫質(zhì)子與陰極中的氧和電子發(fā)生反應(yīng)以生成水。來自陽極的電子無法通過電解質(zhì)，因此在被發(fā)送到陰極之前被引導(dǎo)通過負(fù)載，來進(jìn)行做功。
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)通常包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極一般包括支撐在碳顆粒上并與離聚物和溶劑相混合的分離的細(xì)小催化微粒，通常是鉑(Pt)。陽極、陰極和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。MEA的制造較為昂貴，并且需要具備某些條件才能有效地工作。這些條件包括適當(dāng)?shù)乃刂坪统睗?，以及對催化劑毒物例如一氧化?CO)的控制。
與PEM和其它相關(guān)類型的燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)的示例可以參考以下共同轉(zhuǎn)讓的美國專利找到Witherspoon等人的3,985,578；Li等人的5,624,769；Neutzler的5,776,624；Swathirajan等人的6,277,513；Wood，III等人的6,350,539；Fronk等人的6,372,376；Mathias等人的6,376,111；Vyas等人的6,521,381；Sompalli等人的6,524,736；Fly等人的6,566,004；Fly等人的6,663,994；Brady等人的6,793,544；Rapaport等人的6,794,068；Blunk等人的6,811,918；Mathias等人的6,824,909；以及參考以下共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請公開號(hào)找到Mathias等人的2004/0009384；Darling等人的2004/0096709；Mathias等人的2004/0137311；O’Hara的2005/0026012；O’Hara等人的2005/0026018；O’Hara等人的2005/0026523；Mathias等人的2005/0042500；Angelopoulos等人的2005/0084742；Abd Elhamid等人的2005/0100774；Mathias等人的2005/0112449，Yan等人的2005/0163920；和Yan等人的2005/0164072，它們的全部內(nèi)容通過引用清楚地結(jié)合于本文中。
在MEA技術(shù)領(lǐng)域中，在聚合物電解質(zhì)膜上涂覆催化劑層是眾所周知的。該催化劑層可直接沉積在該膜上，或通過首先在貼花基底上涂覆催化劑來間接地涂覆在該膜上。催化劑一般是通過滾軋工藝以漿的形式涂在貼花基底上。然后，催化劑經(jīng)由熱壓步驟轉(zhuǎn)移到膜上。這種MEA的制備工藝有時(shí)稱為涂覆有催化劑的膜(CCM)。其它制備工藝包括在擴(kuò)散介質(zhì)上涂覆催化劑層以形成涂覆有催化劑的擴(kuò)散介質(zhì)(CCDM)，以及CCM和CCDM的組合。
在催化劑被涂在貼花基底上之后，在轉(zhuǎn)移到膜上之前，催化劑層上有時(shí)會(huì)被噴涂上離聚物層。即使催化劑和膜這兩者都包括離聚物，但是，由于它減小了催化劑和膜之間的接觸電阻，因此該離聚物噴涂層就在催化劑和膜之間提供了更好的接觸。這就增加了膜和催化劑之間的質(zhì)子交換，因此而提高了燃料電池的性能。
貼花基底可以是多孔性的膨體聚四氟乙烯(ePTFE)貼花基底?；蛘?，多孔貼花基底可以包括多孔聚乙烯、多孔聚丙烯和/或沒有或具有適當(dāng)表面涂層的類似物。然而，這種ePTFE基底非常昂貴，并且不可重復(fù)使用。具體而言，當(dāng)催化劑被轉(zhuǎn)移到該ePTFE基底上的膜上時(shí)，其中一部分離聚物殘留在該ePTFE基底上。另外，該ePTFE基底會(huì)伸展、變形并且吸收溶劑，使得清洗步驟變得極其困難。因此，用來制造各陽極和陰極的每一ePTFE基底都被丟棄。
貼花基底也可以是無孔的聚氟乙烯(ETFE)貼花基底?；蛘撸瑹o孔貼花基底可以包括PET、PTFE和/或類似物。該ETFE貼花基底為基底提供了催化劑和離聚物的最小損耗，因?yàn)榛旧纤械耐繉佣纪ㄟ^貼花轉(zhuǎn)移了。該基底不會(huì)變形而且可重復(fù)使用。對于這兩種工藝而言，陽極和陰極貼花基底都被切割成最終電極大小的尺寸，然后熱壓成全氟化合物膜，隨后，將貼花基底剝下。
在另一已知的制造技術(shù)中，MEA被制備成CCDM，而非CCM。該擴(kuò)散介質(zhì)是多孔層，其對于氣體和水通過MEA進(jìn)行傳送是必須的。該擴(kuò)散介質(zhì)通常是涂覆有微孔層的碳紙基底，其中，微孔層是碳和含氟聚合物的混合物(例如，F(xiàn)EP、PVDF、HFP、PTFE和/或類似物)。一般，催化劑墨水涂在微孔層的頂部上，并且可以噴涂以離聚物溶液。將一塊空的全氟化合物膜夾在兩塊CCDM之間，其中催化劑側(cè)面向該膜，然后進(jìn)行熱壓，將CCDM粘合在膜上。
一種制造加強(qiáng)的MEA的方法可以在共同轉(zhuǎn)讓的Sompalli等人的美國專利No.6,524,736中找到，其全部內(nèi)容通過引用清楚地結(jié)合于本文中。如圖1至圖2a中所示，該方法包括通過將催化劑墨水涂在多孔的膨體PTFE支撐體或網(wǎng)狀物上的制造MEA的工藝，以產(chǎn)生具有均勻分布的離聚物粘合劑的電極。還介紹了表層噴涂以幫助催化劑到膜(例如用作粘合劑)的良好轉(zhuǎn)移的構(gòu)思。
參照圖1，顯示了設(shè)置在多孔發(fā)泡PTFE支撐體12(例如具有離聚物粘合劑的鉑/碳支撐體)上的涂覆的催化劑層10。參照圖2和圖2a，顯示了包括陽極部分22，陰極部分24和設(shè)置在它們之間的膜(例如離聚物)部分26的膜電極組件20。每個(gè)電極部分、陽極和/或陰極都包括最接近膜部分26的膜側(cè)面28和最遠(yuǎn)離膜部分26的氣體側(cè)面30。具體參照圖2a，在各自的電極中(例如陽極和/或陰極)的任何離聚物材料的濃度在電極的整個(gè)厚度上都是較為均勻的，也就是，濃度沒有從膜側(cè)面28朝著氣體側(cè)面30顯著地變化，例如，在如線25所指示的箭頭方向上。
然而，仍然需要制備MEA的工藝，其進(jìn)行了簡化、所生產(chǎn)的MEA比本領(lǐng)域中已知的MEA更為耐用，并且為在電極中的離聚物分布提供了更多的控制。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，提供了一種用于燃料電池中的電極催化劑層，其包括(1)催化劑部分；和(2)設(shè)置在催化劑部分中的離聚物材料，其中離聚物材料的濃度形成了其中離聚物材料的濃度相對于催化劑部分的第一表面到催化劑部分的隔開且相對的第二表面降低或增加的梯度。
根據(jù)本發(fā)明的第一備選實(shí)施例，提供了一種涂覆有催化劑的膜，其包括設(shè)置在膜表面上的電極催化劑層，其中電極催化劑層包括(1)催化劑部分；和(2)設(shè)置在催化劑部分中的離聚物材料，其中離聚物材料的濃度形成了其中離聚物材料的濃度在接近膜表面處最高的梯度。
根據(jù)本發(fā)明的第二備選實(shí)施例，提供了一種涂覆有催化劑的擴(kuò)散介質(zhì)，其包括設(shè)置在擴(kuò)散介質(zhì)表面上的電極催化劑層，其中電極催化劑層包括(1)催化劑部分；和(2)設(shè)置在催化劑部分中的離聚物材料，其中離聚物材料的濃度形成了其中離聚物材料的濃度在接近擴(kuò)散介質(zhì)表面處最低的梯度。
根據(jù)本發(fā)明的第三備選實(shí)施例，提供了一種膜電極組件，其包括(1)膜；(2)陰極催化劑層；和(3)陽極催化劑層，其中陽極催化劑層或陰極催化劑層設(shè)置在膜表面上，其中，陽極催化劑層或陰極催化劑層包括(a)催化劑部分；和(b)設(shè)置在催化劑部分中的離聚物材料，其中，離聚物材料的濃度形成了其中離聚物材料的濃度在接近膜表面處最高的梯度。
根據(jù)本發(fā)明的第四備選實(shí)施例，提供了一種膜電極組件，其包括(1)膜；(2)催化劑層；和(3)擴(kuò)散介質(zhì)，其中催化劑層設(shè)置在膜或擴(kuò)散介質(zhì)表面上，其中催化劑層包括(a)催化劑部分；和(b)設(shè)置在催化劑部分中的離聚物材料，其中離聚物材料的濃度形成了其中離聚物材料的濃度在接近膜表面處最高的梯度。
根據(jù)本發(fā)明的第五備選實(shí)施例，提供了一種形成用于燃料電池中的電極催化劑層的方法，其包括(1)提供催化劑部分，其中催化劑部分包括溶劑和離聚物材料；(2)將催化劑部分涂覆在基底表面上；和(3)使溶劑干燥，其中，離聚物材料可操作地遷移通過催化劑部分，以便在其中形成梯度。
本發(fā)明另外的適用性方面通過以下提供的詳細(xì)說明將變得清楚。應(yīng)該明白的是，盡管指出了本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例，但是，該詳細(xì)說明和具體示例僅用于舉例的目的，而非用于限制本發(fā)明的范圍。


通過詳細(xì)說明和附圖，將更充分地理解本發(fā)明，其中圖1顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的在多孔發(fā)泡PTFE支撐體上涂覆的催化劑層的局部示意圖；圖2顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的膜電極組件的局部示意圖；圖2a顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的圖2中所示的膜電極組件的詳細(xì)部分；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的在多孔發(fā)泡PTFE支撐體上涂覆的催化劑層的局部示意圖；圖3a顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的膜電極組件的局部示意圖；圖3b顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的圖3a中所示的膜電極組件的詳細(xì)部分；圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一備選實(shí)施例的在多孔發(fā)泡PTFE支撐體上涂覆的催化劑層的局部示意圖；圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二備選實(shí)施例的在表層噴涂(overspay)溶液中的溶劑對膜電極組件中的離聚物梯度的影響的圖表；圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的第三備選實(shí)施例的離聚物表層噴涂的體積對膜電極組件性能的影響的圖表；圖6a顯示了根據(jù)本發(fā)明的第四備選實(shí)施例的在涂覆有微孔層的氣體擴(kuò)散介質(zhì)基底上的涂覆的催化劑層的局部示意圖；圖6b顯示了根據(jù)本發(fā)明的第五備選實(shí)施例的在表層噴涂溶液中的溶劑對膜電極組件中的離聚物梯度的影響的圖表；圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的第六備選實(shí)施例的在無孔的支撐體上的涂覆的催化劑層的局部示意圖；圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的第七備選實(shí)施例的在離聚物表層噴涂中的溶劑組合物對膜電極組件中的離聚物梯度的影響的圖表；圖9顯示了根據(jù)本發(fā)明的第八備選實(shí)施例的在多孔發(fā)泡EPTFE支撐體上的涂覆的催化劑層的局部示意圖；圖9a顯示了根據(jù)本發(fā)明的第八備選實(shí)施例的在圖9a中所示的多孔發(fā)泡EPTFE支撐體上涂覆的催化劑層的局部示意圖，其顯示了溶劑和離聚物的遷移；圖9b顯示了根據(jù)本發(fā)明的第八備選實(shí)施例的膜電極組件的詳細(xì)部分；圖9c顯示了根據(jù)本發(fā)明的第八備選實(shí)施例的使用正丁醇和n-丙醇溶劑控制離聚物侵入和設(shè)置連續(xù)的離聚物梯度的影響的圖表；圖10顯示了根據(jù)本發(fā)明的第九備選實(shí)施例在無孔貼花(decal)上的涂覆的催化劑層的局部示意圖；圖11顯示了根據(jù)本發(fā)明的第九備選實(shí)施例的膜電極組件的詳細(xì)部分；圖12a顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十備選實(shí)施例的在貼花上的具有高離聚物/碳比率的涂覆的催化劑層的示意圖；圖12b顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十備選實(shí)施例的在貼花上的具有低離聚物/碳比率的涂覆的催化劑層的示意圖；圖12c顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十備選實(shí)施例的熱壓在膜層上的具有高離聚物/碳比率的涂覆的催化劑層的局部示意圖；圖12d顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十備選實(shí)施例的熱壓在具有高離聚物/碳比率的涂覆的催化劑層上的具有低離聚物/碳比率的涂覆的催化劑層的局部示意圖；圖13顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十一備選實(shí)施例的具有根據(jù)本發(fā)明的一般教導(dǎo)所制備的電極的膜電極組件的性能的圖表；圖14顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十二備選實(shí)施例的熱壓溫度對在中等條件下的燃料電池性能的影響的圖表；圖15顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十三備選實(shí)施例的熱壓溫度對在非常潮濕的條件下的燃料電池性能的影響的圖表；圖16a顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十四備選實(shí)施例的在貼花上具有高離聚物/碳比率的涂覆有催化劑的貼花的示意圖；圖16b顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十四備選實(shí)施例的具有低離聚物/碳比率的涂覆有催化劑的擴(kuò)散介質(zhì)的示意圖；
圖16c顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十四備選實(shí)施例的其中高離聚物催化劑層轉(zhuǎn)移到膜上的第一熱壓步驟的產(chǎn)物的示意圖；以及圖16d顯示了根據(jù)本發(fā)明的第十四備選實(shí)施例的其中較低離聚物催化劑層被層壓于高離聚物催化劑層上的第二熱壓步驟的產(chǎn)物的示意圖。
具體實(shí)施例方式
對優(yōu)選的實(shí)施例的以下說明本質(zhì)上僅是示例性的，決非試圖限制本發(fā)明或其應(yīng)用或用途。
根據(jù)本發(fā)明的一般教導(dǎo)，在電極中產(chǎn)生、設(shè)置或以別的方式提供離聚物材料的梯度，例如，當(dāng)粘合于膜上時(shí)。也就是，對于膜而言，存在著關(guān)于離聚物材料的梯度。作為非限制性示例，例如，相對于催化劑層的碳含量(例如表示為比率)的離聚物濃度在最靠近膜(例如膜側(cè)面)的地方是最高的，而在最遠(yuǎn)離膜(例如氣體側(cè)面)的地方是降低的。作為另一非限制性示例，可以形成離聚物梯度，以便濃度(如果相對于催化劑層的碳含量進(jìn)行表示，則或者是比率)可以逐漸地(與快速地相反)隨著離開膜的距離的增加而降低。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在最靠近膜(即膜側(cè)面)的催化劑層中有較高的離聚物含量。作為非限制性示例，離聚物/碳(I/C)比率(例如在電極中)在約0.8到約3的范圍內(nèi)。作為另一非限制性示例，離聚物/碳(I/C)比率(例如在電極中)在約1到約2的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在最遠(yuǎn)離膜(也就是，氣體側(cè)面)處的催化劑層中有較低的離聚物含量。作為非限制性示例，離聚物/碳(I/C)比率(例如在電極中)在約0.1到約1.0的范圍內(nèi)。作為另一非限制性示例，離聚物/碳(I/C)比率(例如在電極中)在約0.2到約0.8的范圍內(nèi)。
有在催化劑層中產(chǎn)生這種梯度的多種方法。作為非限制性示例，以下介紹幾個(gè)適合于本發(fā)明的一般教導(dǎo)的方法。
一種方法包括將多層催化劑涂覆在多孔和/或無孔的貼花支撐體/網(wǎng)狀物(web)上的工藝。作為非限制性示例，在最靠近網(wǎng)狀物處的層將具有最低的離聚物含量(例如I/C比率等于約0.5/1)。離聚物含量可以通過多次涂覆具有遞增的離聚物含量的墨水而逐漸增加。應(yīng)注意的是，催化劑層應(yīng)在進(jìn)行另一墨水的涂覆之前進(jìn)行干燥。這將產(chǎn)生復(fù)合催化劑層，具有帶有逐漸遞增的離聚物含量的結(jié)構(gòu)，如圖3至圖3b中所示。
參照圖3，顯示了設(shè)置在多孔發(fā)泡PTFE支撐體102上的涂覆的催化劑層100。涂覆的催化劑層100包括在最靠近支撐體102處的較低離聚物含量層104(例如約0.5/1的I/C比率)，中等離聚物含量層106(例如約1/1的I/C比率)，和在最遠(yuǎn)離支撐體102處的較高離聚物含量層108(例如約1.5/1的I/C比率)。參照圖3a，顯示了包括陽極部分122、陰極部分124和設(shè)置在它們之間的膜部分126的膜電極組件120。每個(gè)電極部分、陽極和/或陰極，都包括最接近膜部分126的膜側(cè)面128和最遠(yuǎn)離膜部分126的氣體側(cè)面130。任一電極都可以包括如圖3a中所示的離聚物層的布置。在該圖中，陰極部分124包括最靠近膜部分126的較高離聚物含量層108(例如約1.5/1的I/C比率)，中等離聚物含量層106(例如約1/1的I/C比率)，和最遠(yuǎn)離膜部分126的較低離聚物含量層104(例如約0.5/1的I/C比率)。然而，應(yīng)該明白，離聚物層梯度可以以單個(gè)不連續(xù)層或多個(gè)層來實(shí)現(xiàn)。參照圖3b，在各自的電極(例如陽極和/或陰極)中的任何離聚物材料的濃度在電極的整個(gè)厚度上逐漸地降低，也就是，濃度從膜側(cè)面128朝著氣體側(cè)面130顯著地變化，例如，在提供了“高”區(qū)域136(例如約1.5/1的I/C比率)，“中等”區(qū)域134(例如約1/1的I/C比率)，和“低”區(qū)域132(例如約0.5/1的I/C比率)的箭頭方向上。此外，應(yīng)該明白的是，離聚物層梯度可以以單個(gè)不連續(xù)層或多個(gè)層來實(shí)現(xiàn)，例如，如圖3a中所示。也就是，例如，梯度區(qū)域可以包含在單個(gè)層或多個(gè)層內(nèi)。
因此，多次涂覆的方法將獲得離聚物含量的階躍式的增加，如圖3b中所示。不受本發(fā)明具體工作原理約束的是，可以認(rèn)為，在重復(fù)涂覆的墨水中的溶劑將滲入下面的干燥催化劑層中，并且引起離聚物的一些混和(例如如圖3b中以曲線所示)。這種混和還可以發(fā)生在熱壓步驟的期間。這種混和將用于引起從較低的到較高的離聚物含量的平穩(wěn)過渡。應(yīng)注意的是，當(dāng)支撐體不是多孔性的時(shí)，該方法也可以使用。例如，離聚物梯度由在多個(gè)催化劑層中的離聚物含量產(chǎn)生，而與支撐體的多孔性關(guān)系不大。因此，從多孔轉(zhuǎn)換為無孔的支撐體將很少影響在催化劑結(jié)構(gòu)中的離聚物含量的階躍式變化。
另一種方法是使用在用于電極上的表層噴涂溶液中的不同溶劑系統(tǒng)。作為非限制性示例，該方法旨在用于多孔的支撐體?，F(xiàn)在所已知的是，多孔的支撐體有助于溶劑去除和催化劑層的均勻干燥，例如，如圖1中所示。支撐體的多孔性還可以用于產(chǎn)生連續(xù)的離聚物梯度，而不是如在先前介紹的方法中的所建議的階躍式增加。
參照圖4，顯示了催化劑層200，其具有噴涂在其中(例如通過噴嘴206以表層噴涂離聚物溶液204進(jìn)行噴涂)的離聚物層202，以及多孔發(fā)泡PTFE支撐體208。增加了在電極中的離聚物含量的離聚物溶液的表層噴涂，也可以用于在電極中產(chǎn)生離聚物梯度。例如，在表層噴涂溶液中的溶劑含量控制了離聚物侵入電極中的程度。短語“離聚物侵入或滲透”指的是離聚物侵入電極中(例如在箭頭方向上)，并且可能進(jìn)入多孔的支撐體，如圖4中所示。
將醇用作溶劑(例如異丙醇、乙醇、甲醇和/或類似物)增加了離聚物滲透到涂覆在多孔貼花上的催化劑層中的程度。不潤濕的溶劑(例如水)的使用減少了離聚物滲透到電極中的滲透。因此，通過噴涂和使用水和醇的混合物來增加在電極中的離聚物含量會(huì)增加離聚物滲透到電極中的程度，并且可能有助于建立連續(xù)的梯度，如圖5中所示。
另外，將醇用作溶劑(例如異丙醇、乙醇、甲醇和/或類似物)增加了離聚物滲透到多孔貼花中的程度。不潤濕的溶劑(例如水)的使用減少了離聚物滲透到多孔的支撐體中。因此，增加在噴涂溶液中的離聚物含量和使用水和醇的混合物會(huì)增加離聚物滲透到多孔的支撐體中的程度，并且會(huì)另外有助于建立連續(xù)的梯度，如圖5中所示。
水的使用減少了離聚物滲透，因?yàn)榘l(fā)泡PTFE(例如多孔PTFE支撐體)是疏水且排斥水的。
另外，噴涂的離聚物的體積也影響所產(chǎn)生的電極的性能，如圖6中所示。例如，噴涂體積直接轉(zhuǎn)化成為通過離聚物表層噴涂所沉積的離聚物的量。
另一種方法是使用涂覆有微孔層(例如，具有含氟聚合物的碳和/或石墨的基體)的氣體擴(kuò)散介質(zhì)基底(例如，織成的或非織成的碳纖維紙或織成的碳織物)。現(xiàn)在所已知的是，涂覆有微孔層的氣體擴(kuò)散介質(zhì)基底有助于溶劑去除和催化劑層的均勻干燥。涂覆有微孔層的氣體擴(kuò)散介質(zhì)基底的多孔性也可以用于產(chǎn)生連續(xù)的離聚物梯度，而不是如在先前介紹的方法中的所建議的階躍式的增加。
參照圖6a，顯示了催化劑層200，其具有噴涂在其中(例如，通過噴嘴206以表層噴涂離聚物溶液204進(jìn)行噴涂)的離聚物層202以及涂覆有微孔層支撐體208b的氣體擴(kuò)散介質(zhì)基底208a。增加了在電極中的離聚物含量的離聚物溶液的表層噴涂也可以用于在電極中產(chǎn)生離聚物梯度。例如，在表層噴涂溶液中的溶劑含量影響離聚物侵入電極中的程度。短語“離聚物侵入或滲透”指的是離聚物侵入電極中(例如沿著箭頭方向)，并且可能進(jìn)入涂覆有微孔層的氣體擴(kuò)散介質(zhì)基底。
將醇用作溶劑(例如異丙醇、乙醇、甲醇和/或類似物)增加了離聚物滲透到涂覆在多孔MPL/DM上的催化劑層中的程度。不潤濕的溶劑(例如水)的使用減少了離聚物滲透到電極中的滲透。因此，通過噴涂增加在電極中的離聚物含量以及使用水和醇的混合物會(huì)增加離聚物滲透到電極中的程度，并且會(huì)有助于建立連續(xù)的梯度，如圖6b中所示。
另外，將醇用作溶劑(例如異丙醇、乙醇、甲醇和/或類似物)增加了離聚物滲透到多孔的MPL/DM中的程度。不潤濕的溶劑(例如水)的使用減少了離聚物滲透到多孔的MPL/DM中。因此，增加在噴涂溶液中的離聚物含量和使用水和醇的混合物，將會(huì)增加離聚物滲透到多孔的MPL/DM中的程度，并且另外會(huì)有助于建立連續(xù)的梯度，如圖6b中所示。
參照圖7，顯示了具有噴涂在其中(例如通過噴嘴306利用表層噴涂離聚物溶液304進(jìn)行噴涂)的離聚物層302和無孔的支撐體308的催化劑層300。如所指出的，先前方法中的一個(gè)使用了多孔的支撐體。在用于產(chǎn)生連續(xù)離聚物梯度的噴涂中所用的溶劑也可以使用在無孔貼花上。如圖7和圖8中所示，在離聚物表層噴涂溶液中的溶劑組合物的控制設(shè)置了在電極中的離聚物梯度。類似的溶劑系統(tǒng)也可以使用。不受本發(fā)明具體工作原理約束的是，與圖6和6b中所示類似的效果在這種情況下也是可以預(yù)期的。
另一種方法是使用受控制的干燥，以產(chǎn)生連續(xù)的離聚物梯度。該方法適用于所介紹的所有實(shí)施例。干燥的控制也可以有助于建立連續(xù)的梯度。這會(huì)需要適當(dāng)?shù)剡x擇溶劑和干燥過程。所需要的合適溶劑包括，但不限于水、甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇、以及比丁醇沸點(diǎn)高的醇(例如乙二醇、甘油、丙三醇和/或類似物)。
參照圖9，顯示了催化劑層400，其具有包含在其中、設(shè)置在多孔ePTFE支撐體404上的離聚物材料402。作為非限制性示例，正丁醇(例如蒸發(fā)得非常慢)和異丙醇(例如蒸發(fā)得非?？?的混合物可幫助提供朝著貼花的底部(例如，在最靠近網(wǎng)狀物處)的增加的滲透，而在電極中留下大量完整的離聚物(例如，在最靠近膜處)，如圖9a中所示。因此，在最靠近膜側(cè)面406處的離聚物濃度將會(huì)較高，而在最靠近氣體側(cè)面408處的離聚物濃度將會(huì)較低，如圖9b中所示。因此，可以產(chǎn)生連續(xù)的梯度，如圖9c中所示。
在制成電極之后，如以上所介紹的，另外的噴涂可以用來進(jìn)一步增加電極頂面上的離聚物含量。作為非限制性示例，如先前所介紹的不同的溶劑系統(tǒng)，也可以用來更好地改進(jìn)梯度。
通過將墨水涂覆在多孔貼花、無孔貼花、和/或支撐在DM基底上的MPL上，這樣催化劑墨水就可以用于制備電極。當(dāng)連同無孔貼花支撐體使用時(shí)，在電極墨水中具有各種不同沸點(diǎn)的溶劑的使用具有不同的效果?，F(xiàn)在，在干燥階段的期間獲得了離聚物梯度，這是受溶劑選擇和離聚物和溶劑對于彼此的親和性控制的。作為非限制性示例，當(dāng)使用了高/低沸點(diǎn)溶劑的混合物時(shí)，離聚物將遷移到電極的頂部，如圖10中所示。參照圖10，顯示了具有包含在其中、設(shè)置在無孔貼花504上的離聚物材料502的催化劑層500。溶劑僅有一個(gè)途徑逸出，而那就是從干燥電極的頂部。低沸點(diǎn)溶劑將非?？斓馗稍铮瑥亩行У厥闺x聚物‘凝固’在適當(dāng)位置。相反，高沸點(diǎn)溶劑將更慢地?fù)]發(fā)，允許離聚物隨同蒸發(fā)的溶劑一起遷移到頂面。因此，蒸發(fā)的溶劑將在箭頭方向上“拖動(dòng)”離聚物到電極506的頂部，因此產(chǎn)生自然的梯度如圖11中所示，其中膜側(cè)面508(也就是最接近膜508a處)具有較高的離聚物濃度，而氣體側(cè)面510具有較低的離聚物濃度。
在通過先前介紹的過程完成貼花之后，另外的噴涂可以用來改進(jìn)離聚物梯度。在離聚物表層噴涂中對溶劑系統(tǒng)的控制，也將更好地幫助控制離聚物梯度。
熱壓通常是最后的步驟，其中，用熱和壓力將涂覆有催化劑的貼花粘合在膜上。測試表明，溫度和壓力的組合可以影響通過侵入多孔網(wǎng)狀物(例如遠(yuǎn)離電極)所損失的離聚物的量。這就提供了另一控制參數(shù)，在電極中的離聚物含量可以借此進(jìn)行調(diào)整。
例如，從具有高離聚物含量(例如，一般約為1.2/1至1.5/1的I/C)的催化劑層開始，利用高的熱壓壓力(例如大于500psi)可以導(dǎo)致較高含量的離聚物侵入多孔網(wǎng)狀物中，因此就建立了連續(xù)的離聚物梯度。
多步驟的和連續(xù)的離聚物梯度產(chǎn)生工藝(所有這些已在上文進(jìn)行了介紹)可以結(jié)合在表層噴涂的步驟之間，例如，以用于在熱壓的期間幫助優(yōu)良品質(zhì)的催化劑到膜的轉(zhuǎn)移。還有產(chǎn)生這種離聚物梯度的其它途徑。以下提供了示例。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，單獨(dú)的貼花可以以所希望的離聚物含量進(jìn)行涂覆，例如，諸如0.5/1的(I/C)和1.5/1的(I/C)。然后，首先執(zhí)行高離聚物含量貼花到膜上的熱壓，接著進(jìn)行第二熱壓步驟以將低離聚物含量催化劑層轉(zhuǎn)移到膜上。圖12a到圖12d中示意性地顯示了該工藝。在圖12a中，貼花600設(shè)有具有較高的離聚物濃度(例如，I/C比率＝1.5/1)的催化劑層602。在圖12b中，貼花604設(shè)有具有較低的離聚物濃度(例如，I/C比率＝0.5/1)的催化劑層605，例如通過表層噴涂離聚物溶液來實(shí)現(xiàn)。在圖12c中，執(zhí)行了第一熱壓步驟，其中高離聚物催化劑層602轉(zhuǎn)移到膜部分606上。在圖12d中，執(zhí)行了第二熱壓步驟，其中低離聚物催化劑層605轉(zhuǎn)移到高離聚物催化劑層602上。應(yīng)該注意的是，這種工藝可以用于多孔的和無孔的支撐體。另外，多個(gè)催化劑層可以用于產(chǎn)生多層的結(jié)構(gòu)。
圖13顯示了與沒有梯度地制成的MEA相比較的，在陰極電極上具有梯度地制成的MEA的性能。在較高電流密度下，有十分顯著的50mV以上的改進(jìn)。
這種復(fù)合的電極結(jié)構(gòu)也可以通過將催化劑墨水直接噴涂在膜上而產(chǎn)生。共同轉(zhuǎn)讓的Yan等人的美國專利申請序列號(hào)No.10/763,633介紹了將催化劑墨水噴涂在膜上以產(chǎn)生MEA的構(gòu)思，其全部內(nèi)容通過引用清楚地結(jié)合于本文中。該申請也介紹了建立電極結(jié)構(gòu)的多個(gè)噴涂步驟。因此，可以理解的是，噴涂在膜上的第一層墨水可以包含較高的離聚物含量。在第一層變干之后，通過噴涂具有逐漸降低的離聚物含量的墨水，來建立隨后的催化劑層。
如先前所指出的，催化劑層也可以產(chǎn)生在擴(kuò)散介質(zhì)上。共同轉(zhuǎn)讓的Yan等人的美國專利申請序列號(hào)No.10/763,514介紹了CCDM和CCDM層壓膜制備的一般構(gòu)思，其全部內(nèi)容通過引用清楚地結(jié)合于本文中。與此處先前所介紹的噴涂在膜上的方法一樣，可以想象，具有變化的離聚物含量的催化劑墨水的多次涂覆，可以產(chǎn)生具有階躍式變化的離聚物含量的催化劑層。另外，可以設(shè)置滾軋涂覆工藝，以將微孔層首先涂覆在DM上，隨后燒結(jié)該層。具有變化的離聚物含量的多層的催化劑層然后可以進(jìn)行涂覆和干燥，以生成CCDM。應(yīng)該注意的是，離聚物梯度可以與最靠近DM的催化劑層中的最低離聚物含量相同。離聚物含量然后將朝著電極頂部增加(例如朝著預(yù)期最接近膜的側(cè)面)。該CCDM然后可以粘合于膜上。
如先前所指出的，CCDM已長期為本領(lǐng)域(具體是磷酸燃料電池)所已知。在PEMFC技術(shù)中，目前技術(shù)發(fā)展水平的MEA被認(rèn)為是CCM。如先前所介紹的，這些MEA通過貼花轉(zhuǎn)移工藝制備，留下直接粘合于MEA的電極。從性能觀點(diǎn)來看，CCM總是以高電流密度(也就是，當(dāng)大量傳輸影響了電池性能時(shí))產(chǎn)生更加合乎要求的能量曲線以及更好的對水的管理。然而，從制造觀點(diǎn)來看，CCDM已變得更加合乎要求，這是由于可以沒有貼花轉(zhuǎn)移步驟地在滾軋工藝上加工處理每件東西。本發(fā)明的以下方面集中在提高CCDM MEA的水管理的處理參數(shù)上。
本領(lǐng)域所已知的是，在催化劑層沉積在給定基底(例如用于CCM的貼花和用于CCDM的碳纖維紙)上之后，附加量的離聚物沉積在催化劑層上。該附加的離聚物用來增加催化劑層的質(zhì)子傳導(dǎo)率，提高在催化劑層和膜之間的界面性能，并且?guī)椭鷮①N花(或者涂覆有催化劑的擴(kuò)散介質(zhì))粘合到膜上。
也為本領(lǐng)域所通常已知的是，一旦考慮準(zhǔn)備將貼花或涂覆有催化劑的擴(kuò)散介質(zhì)與膜結(jié)合，那么它們通常通過暴露于溫度和壓力來進(jìn)行配合。在此熱壓過程的期間所選擇的溫度主要決定于材料組，具體為膜。所希望的是，在催化劑上的膜和離聚物層將變軟并且結(jié)合在一起，以形成了最佳的界面。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，這是通過使用處于或超出膜的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(通常稱為Tg)的溫度而獲得的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，已觀察到的是，改變部件配合的溫度顯著影響了在運(yùn)轉(zhuǎn)的燃料電池條件下的電池的水管理性能。參照圖14和圖15，顯示了兩個(gè)示范性的MEA的電勢對電流特性的圖表。
在該比較中唯一的變量是熱壓溫度。對于用于該試驗(yàn)的膜，Tg為130℃。MEA中的一個(gè)通過使用該溫度進(jìn)行制備。第二個(gè)MEA使用146℃的熱壓溫度進(jìn)行結(jié)合。顯然，在如圖14中所示的中等運(yùn)轉(zhuǎn)條件下(例如50kpag，70/70/80 2/2化學(xué)計(jì)量法)，在兩個(gè)電池之間存在很小的性能差異。然而，在如圖15中所示的較潮濕運(yùn)轉(zhuǎn)條件下(例如170kpag，60/60/2/2化學(xué)計(jì)量法)，在極坐標(biāo)曲線中有急劇的差異。該條件由于例如啟動(dòng)，凝固開始，和/或類似的瞬變條件而是重要的。經(jīng)受較高M(jìn)EA組件溫度的CCDM電池以高電流密度更好地完成任務(wù)。不受本發(fā)明具體工作原理約束的是，可以相信在該行為之后的前提在于，在這些較高溫度下，可以實(shí)際移動(dòng)離聚物涂層或薄膜進(jìn)一步進(jìn)入催化劑層中，在該總體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生離聚物的梯度，并且可以通過改變在CCDM MEA組件的期間的處理?xiàng)l件而獲得。
用于制造CCM用貼花的墨水與用于制造CCDM的相同。在催化劑層被涂覆和變干之后，CCDM通過熱壓粘合在膜上。然而，用于熱壓的條件不同于用于CCDM的熱壓條件。為了減少可能導(dǎo)致在運(yùn)轉(zhuǎn)的燃料電池中的大量傳輸損失的DM過度壓縮的情況，熱壓壓力設(shè)定在約150psi，其不同于用于CCM制備的200-500psi。
“兩個(gè)一半形成的MEA”的涂覆有催化劑的膜部分是根據(jù)此處先前所介紹的方法制成的。需要注意的是，連接于膜上的催化劑層具有高的離聚物/碳比率(例如約0.8到約3)。其次，第二催化劑層涂覆在涂覆有微孔層的擴(kuò)散介質(zhì)上。需要注意的是，催化劑層具有低的離聚物/碳比率(0.2至0.8)。為了將MEA的兩個(gè)一半粘合在一起，CCDM可以或不可以涂有離聚物溶液，以產(chǎn)生一薄層的離聚物溶液。此后，CCDM以與用于制造常規(guī)CCDM相同的熱壓條件粘合于CCM上。
參照圖16a至圖16d，在其中示意性地顯示了該過程。在圖16a中，貼花700(例如ePTFE)設(shè)有具有涂覆在其上的較高離聚物濃度(例如，I/C比率＝1.5/1)的層702a的催化劑層702。在圖16b中，具有微孔層706(例如，碳和含氟聚合物)的擴(kuò)散介質(zhì)704設(shè)有具有涂覆(例如通過表層噴涂離聚物溶液)在其上的較低離聚物濃度(例如I/C比率＝0.5/1)的層708a的催化劑層708。在圖16c中，執(zhí)行第一熱壓步驟，其中高離聚物催化劑層702轉(zhuǎn)移到膜部分710上。在圖16d中，執(zhí)行第二熱壓步驟，其中低離聚物催化劑層708層壓在高離聚物催化劑層702上，以形成離聚物梯度(也就是說，當(dāng)催化劑層遠(yuǎn)離膜地延伸時(shí)從高到低)。
在MEA的一半CCM和一半CCDM中的催化劑層的厚度可以根據(jù)燃料電池中MEA的運(yùn)轉(zhuǎn)而需要單獨(dú)地改變?？梢赃x擇或可以不選擇在CCDM的頂部包括離聚物層(例如用粘合工藝來輔助)。然而，需要注意的是，如果離聚物層是涂覆在CCDM上的，那么離聚物層就是比較薄的，例如在約0.2到約0.5微米左右。這是為了使離聚物層不會(huì)成為在這兩個(gè)一半之間的氣體傳輸?shù)恼系K。
本發(fā)明的說明只是本質(zhì)上為示范性的，因此，不背離本發(fā)明要旨的變型都應(yīng)屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。這些變型不能認(rèn)為是偏離了本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池中的電極催化劑層，包括催化劑部分；以及設(shè)置在所述催化劑部分中的離聚物材料；其中，所述離聚物材料的濃度形成了其中所述離聚物材料的濃度相對于所述催化劑部分的第一表面至所述催化劑部分的隔開且相對的第二表面降低或增加的梯度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極催化劑層，其特征在于，所述第一表面或第二表面包括在約0.8到約3范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極催化劑層，其特征在于，所述第一表面或第二表面包括在約1到約2范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極催化劑層，其特征在于，所述第一表面或第二表面包括在約0.1到約1.0范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極催化劑層，其特征在于，所述第一表面或第二表面包括在約0.2到約0.8范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極催化劑層，其特征在于，還包括與所述電極催化劑層成鄰接關(guān)系的膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電極催化劑層，其特征在于，所述第一表面與所述膜成鄰接關(guān)系。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電極催化劑層，其特征在于，所述第一表面包括在約0.8到約3范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電極催化劑層，其特征在于，所述第一表面包括在約1到約2范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電極催化劑層，其特征在于，所述第二表面與所述膜是隔開并且相對的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電極催化劑層，其特征在于，所述第二表面包括在約0.1到約1.0范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電極催化劑層，其特征在于，所述第二表面包括在約0.2到約0.8范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電極催化劑層，其特征在于，所述離聚物材料的濃度在接近所述膜處是最高的。
14.一種涂覆有催化劑的膜，包括設(shè)置在所述膜的表面上的電極催化劑層；其中，所述電極催化劑層包括催化劑部分；以及設(shè)置在所述催化劑部分中的離聚物材料；其中，所述離聚物材料的濃度形成了其中所述離聚物材料的濃度在接近所述膜的所述表面處為最高的梯度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的膜，其特征在于，所述電極催化劑層包括在約0.8到約3范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的膜，其特征在于，所述電極催化劑層包括在約1到約2范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的膜，其特征在于，所述電極催化劑層包括在約0.1到約1.0范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的膜，其特征在于，所述電極催化劑層包括在約0.2到約0.8范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的膜，其特征在于，設(shè)置在所述膜的所述表面上的所述電極催化劑層的表面包括在約0.8到約3范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的膜，其特征在于，設(shè)置在所述膜的所述表面上的所述電極催化劑層的第一表面包括在約1到約2范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的膜，其特征在于，還包括設(shè)置在所述膜的所述表面上的所述電極催化劑層的第二表面，其中，所述第二表面與所述膜是隔開并且相對的。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的膜，其特征在于，所述第二表面包括在約0.1到約1.0范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的膜，其特征在于，所述第二表面包括在約0.2到約0.8范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
24.一種涂覆有催化劑的擴(kuò)散介質(zhì)，包括設(shè)置在所述擴(kuò)散介質(zhì)的表面上的電極催化劑層；其中，所述電極催化劑層包括催化劑部分；以及設(shè)置在催化劑部分中的離聚物材料；其中，所述離聚物材料的濃度形成了其中所述離聚物材料的濃度在接近所述擴(kuò)散介質(zhì)的所述表面處為最低的梯度。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的擴(kuò)散介質(zhì)，其特征在于，所述電極催化劑層包括在約0.8到約3范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的擴(kuò)散介質(zhì)，其特征在于，所述電極催化劑層包括在約1到約2范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的擴(kuò)散介質(zhì)，其特征在于，所述電極催化劑層包括在約0.1到約1.0范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的擴(kuò)散介質(zhì)，其特征在于，所述電極催化劑層包括在約0.2到約0.8范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的擴(kuò)散介質(zhì)，其特征在于，設(shè)置在所述擴(kuò)散介質(zhì)的所述表面上的所述電極催化劑層的表面包括在約0.1到約1范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
30.根據(jù)權(quán)利要求24所述的擴(kuò)散介質(zhì)，其特征在于，設(shè)置在所述擴(kuò)散介質(zhì)的所述表面上的所述電極催化劑層的第一表面包括在約0.2到約0.8范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的擴(kuò)散介質(zhì)，其特征在于，還包括設(shè)置在所述擴(kuò)散介質(zhì)的所述表面上的所述電極催化劑層的第二表面，其中，所述第二表面與所述擴(kuò)散介質(zhì)是隔開并且相對的。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的擴(kuò)散介質(zhì)，其特征在于，所述第二表面包括在約0.8到約3范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的擴(kuò)散介質(zhì)，其特征在于，所述第二表面包括在約1到約2范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
34.一種膜電極組件，包括膜；陰極催化劑層；以及陽極催化劑層；其中，所述陽極催化劑層或陰極催化劑層設(shè)置在所述膜的表面上；其中，所述陽極催化劑層或陰極催化劑層包括催化劑部分；以及設(shè)置在催化劑部分中的離聚物材料；其中，所述離聚物材料的濃度形成了其中所述離聚物材料的濃度在接近所述膜的所述表面處最高的梯度。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的膜電極組件，其特征在于，所述陰極催化劑層或陽極催化劑層包括在約0.8到約3范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的膜電極組件，其特征在于，所述陰極催化劑層或陽極催化劑層包括在約1到約2范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
37.根據(jù)權(quán)利要求34所述的膜電極組件，其特征在于，所述陰極催化劑層或陽極催化劑層包括在約0.1到約1.0范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
38.根據(jù)權(quán)利要求34所述的膜電極組件，其特征在于，所述陰極催化劑層或陽極催化劑層包括在約0.2到約0.8范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
39.根據(jù)權(quán)利要求34所述的膜電極組件，其特征在于，設(shè)置在所述膜的所述表面上的所述陽極催化劑層或陰極催化劑層的表面包括在約0.8到約3范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
40.根據(jù)權(quán)利要求34所述的膜電極組件，其特征在于，設(shè)置在所述膜的所述表面上的所述陰極催化劑層或陽極催化劑層的第一表面包括在約1到約2范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的膜電極組件，其特征在于，還包括設(shè)置在所述膜的所述表面上的所述陰極催化劑層或陽極催化劑層的第二表面，其中，所述第二表面與所述膜是隔開并且相對的。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的膜電極組件，其特征在于，所述第二表面包括在約0.1到約1.0范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
43.根據(jù)權(quán)利要求41所述的膜電極組件，其特征在于，所述第二表面包括在約0.2到約0.8范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
44.一種膜電極組件，包括膜；催化劑層；以及擴(kuò)散介質(zhì)；其中，所述催化劑層設(shè)置在所述膜或所述擴(kuò)散介質(zhì)的表面上；其中，所述催化劑層包括催化劑部分；以及設(shè)置在催化劑部分中的離聚物材料；其中，所述離聚物材料的濃度形成了其中所述離聚物材料的濃度在接近所述膜的所述表面處為最高的梯度。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的膜電極組件，其特征在于，所述催化劑層包括在約0.8到約3范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
46.根據(jù)權(quán)利要求44所述的膜電極組件，其特征在于，所述催化劑層包括在約1到約2范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
47.根據(jù)權(quán)利要求44所述的膜電極組件，其特征在于，所述催化劑層包括在約0.1到約1.0范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
48.根據(jù)權(quán)利要求44所述的膜電極組件，其特征在于，所述催化劑層包括在約0.2到約0.8范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
49.根據(jù)權(quán)利要求44所述的膜電極組件，其特征在于，設(shè)置在所述膜的所述表面上的所述催化劑層的表面包括在約0.8到約3范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
50.根據(jù)權(quán)利要求44所述的膜電極組件，其特征在于，設(shè)置在所述膜的所述表面上的所述催化劑層的第一表面包括在約1到約2范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的膜電極組件，其特征在于，還包括設(shè)置在所述擴(kuò)散介質(zhì)的所述表面上的所述催化劑層的第二表面，其中，所述第二表面與所述膜是隔開并且相對的。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的膜電極組件，其特征在于，所述第二表面包括在約0.1到約1.0范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
53.根據(jù)權(quán)利要求51所述的膜電極組件，其特征在于，所述第二表面包括在約0.2到約0.8范圍內(nèi)的離聚物/碳(I/C)比率。
54.一種形成用于燃料電池中的電極催化劑層的方法，包括提供催化劑部分，其中，所述催化劑部分包括溶劑和離聚物材料；將所述催化劑部分涂覆在基底的表面上；以及使所述溶劑干燥；其中，所述離聚物材料可操作地遷移通過所述催化劑部分，以便在其中形成梯度。
55.根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，所述溶劑和所述離聚物材料具有對彼此的親和性。
56.根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，所述溶劑包括選自水、醇、水-醇混合物和它們的組合的材料。
57.根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，所述基底包括選自多孔貼花、無孔貼花、微孔層、擴(kuò)散介質(zhì)和它們的組合的部件。
58.根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，所述溶劑具有這樣的干燥速度，使得所述離聚物材料在所述干燥步驟的期間基本上不遷移通過所述催化劑部分。
59.根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，所述溶劑具有這樣的干燥速度點(diǎn)，使得所述離聚物材料在所述干燥步驟的期間基本上遷移通過所述催化劑部分。
全文摘要
在適用于燃料電池的電極中產(chǎn)生、設(shè)置或以別的方式提供離聚物材料的梯度。例如相對于催化劑層的碳含量(例如表示為比率)的離聚物濃度在最靠近例如燃料電池的膜(例如膜側(cè)面)的地方是最高的，并且在最遠(yuǎn)離膜(例如氣體側(cè)面)的地方是降低的。作為另一非限制性示例，可以形成離聚物梯度，以便濃度(如果相對于催化劑層的碳含量進(jìn)行表示，則或者是比率)可以逐漸地(與快速地相反)隨著離開膜的距離的增加而降低。
文檔編號(hào)H01M8/10GK101075671SQ20071010402
公開日2007年11月21日 申請日期2007年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月15日
發(fā)明者甄蘇珊, J·C·多伊爾, B·索姆帕利, H·A·加斯泰格, J·E·奧哈拉, 顧文斌 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司