專利名稱：一種使用氣體擴散電極作為基底的質(zhì)子交換膜的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本公開通常涉及的領(lǐng)域包括膜電極組件(MEA)，更具體地包括用于質(zhì)子 交換自料電池的MEA。
背景技術(shù)：
0002氫是一種非常吸引人的燃料，因為它是清潔的且能夠在燃料電池中用于 有效地發(fā)電。汽車工業(yè)在織料電池作為汽車能源的發(fā)展中消耗了很多資源。 相對于今天使用的內(nèi)燃弓l擎汽車來說這種汽剩各更有效并且產(chǎn)生更少的排放 物。
0003,料電池是一種電化學(xué)裝置，其包括陽極和陰極以及位于陽極和陰極 之間的電解質(zhì)。該陽極接收富氫氣體或純氫，該陰極接收氧氣或空氣。在陽極 中氫氣被分解而產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。該質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極，在這里該 質(zhì)子與陰極中的氧和電子反應(yīng)而生成水。來自陽極的該電子不能穿過電解質(zhì)。 因此，在它們被送到陰極之前將這些電子定向通過負(fù)載以做功。做的功可以被 用來，例如，運轉(zhuǎn)汽車。
0004質(zhì)子交換M料電池通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子導(dǎo)電膜，例如全氟 磺酸薄膜。該陽極和該陰極一般包括支撐在碳顆粒上且與離聚物和溶劑混合的 精細(xì)粉碎的催化劑顆粒。該陽極、陰極和薄膜的組合限定了膜電極組^(MEA)。 i^MEA還可以包括氣體擴散介質(zhì)，其是將氣體和水輸i^iiiiMEA所必須的多孔 層。該催化齊喔可以被涂布在該擴散介質(zhì)上，例如可以將作為漿料的催化齊U層 軋輥或涂刷或噴涂在擴散介質(zhì)上，然后壓緊。本領(lǐng)域中已知將薄膜夾在兩片涂 有催化劑的擴散介質(zhì)之間并使催化劑側(cè)面面對薄膜，然后對其施加熱壓以將涂 有催化劑的擴散介質(zhì)結(jié)合到該薄膜上。

發(fā)明內(nèi)容
0005
一個實施方案包括一種方法，其包括提供涂有第一催化劑的氣體擴散介 質(zhì)層，在該涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層上沉積濕潤的第一質(zhì)子交換膜層 以形成第一質(zhì)子交換膜層；提供涂有第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層；使該涂有第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層，二質(zhì)子交換膜層與該第一質(zhì)子交換膜層接 觸；并且將涂有催化劑的擴散層和質(zhì)子交換膜層熱壓在一起。0006從下文中提供的詳細(xì)說明，本發(fā)明的其它典型實施方案將變得更加明顯。 應(yīng)該理解的是解釋本發(fā)明典型實施方案的詳細(xì)說明和具體實施例僅僅是說明性 目的并且沒有打算限制本發(fā)明的范圍。
附圖簡介
0007結(jié)合發(fā)明詳述和附圖將更全面地理解本發(fā)明的典型實施方案。0008圖l是說明根據(jù)本發(fā)明一個實航案的一種方法；0009圖2是說明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的一種方法；0010圖3是說明根據(jù)本發(fā)明一個實驗案的一種方法；0011圖4A是說明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的一種方法；0012圖4B是說明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的一種方法；0013圖4C是說明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的一種方法；0014圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的膜電極組件的截面圖；0015圖6是說明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的一種方法；0016圖7是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的膜電極組件的截面發(fā)明詳述
0017下面對實驗案的描述僅是實質(zhì)上示范性的和沒有打算限偉體發(fā)明、其 應(yīng)用或使用。
0018在本發(fā)明一個實施方案中，提供了一種使用涂有催化劑的氣體擴散電極 作為基底來制造質(zhì)子交換膜的方法。
0019在本發(fā)明一個實施方案中，第一催化劑層10被施加在第"^體擴散介 質(zhì)層12上以形 有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層16。第一催化劑層10包括 合適的催化劑顆粒例如金屬如鉑、鉑合金和燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的其 它催化劑。第一氣體擴散介質(zhì)層12可以是傳統(tǒng)的燃料電池氣體擴散材料，例如 非織J^碳纖維紙、織造碳布或碳泡沫。該催化劑層10的施加可以包括樹可合適 的施加方法，例如軋輥、涂刷或噴凃。在另一個實施方案中，如

圖1所示，第 一微孔層14被施加在第一氣體擴散介質(zhì)層12上并且第一催化劑層10被施加在 該第一微孔層14上以形成涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層16。第一微 L層 14的施加可以包括任何^g的施加方法，例如軋輥或涂刷。該微孔層14包括顆粒和粘結(jié)劑。用于該微 L層14的合，?？梢园ǖ遣痪窒抻谑碱w粒、 石墨化的碳顆?；?qū)щ姷腗粒。用于該微 L層14的合適粘結(jié)劑可以包括聚四 氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、氟化乙丙烯(FEP)或其它有機或無t/U5fE7乂材 料中的至少一種。
0020如圖2中所示，在一實施方案中第一濕潤質(zhì)子交換膜層被形^該涂有 第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層16上。第一濕潤質(zhì)子交換膜層的形成可以包括任 何合適的技術(shù)，例如澆注、層疊、浸透或噴涂。，一濕潤質(zhì)子交換膜可以包 括載體或加強片，例如一片多孔層，例如膨脹的聚四氟乙烯(ePTFE)或特氟隆。 在另一個實施方案中，第一濕潤質(zhì)子^^膜可以包括載體，其包括厚度小于 30Mm的多孑L材料、厚度小于30Mm的紙、聚烯烴、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚 苯硫醚或具有晶體熔解^Jt的聚，中的一種，該聚合物不會溶解棚于將離 聚物浸透在該載體材料內(nèi)的涂布翻喊分散劑中。該多孔材料或紙可以從Crane andCo"altonMA購買得至ij。該聚乙烯或聚丙烯可以從日本的DSM^Tonen Chemical NasuCo.,Ltd處獲得。在一實施方案中，該成形包括澆注，其中將加強 片均勻地沉積在催化劑層10的上方并且將離聚物溶、 加在該加強片上。該離 聚物溶液可以是但不限于包括在4048 wt"^l-丙醇和30-38 wtQ/。水中的Nafion 1000(20 wt。/。)的離聚物懸浮液。該離聚物溶液可以浸漬或者填充該加強片的孔。 該離聚物溶液還可穿透該催化劑層10和該微孔層14的至少一個。在一實施方 案中，可以加熱該離聚物溶液以蒸發(fā)出翻狙提供通過ePTFE增強的干燥固體聚 合物薄膜。
0021在另一個實施方案中，第一濕潤質(zhì)子交換膜的形成包括層疊、浸透或噴 涂，其中將該加強片沉浸在該離聚物溶液中以形淑顯潤的薄膜，然后將這個濕 潤的加強薄膜均勻地沉積在該催化劑層10的上方。
0022第一濕潤質(zhì)子交換膜層可以被干》喿，例如在低壓下，以形成第一質(zhì)子交 鵬層18。
0023在另一個實施方案中，包括將催化劑層10和第一質(zhì)子交換膜層18的多 層涂布沉積在第一氣體擴散介質(zhì)層12上。在另一個實施方案中，將該濕潤第一 微孔層14施加在第-)i:體擴散介質(zhì)層12上，干燥并燒結(jié)；將該濕潤第一催化 劑層10施加在織一微孔層14上；第一濕潤質(zhì)子交換膜層可以形^Tf該濕潤 第--催化劑層10上；且在最后的處理中同時干燥全部層。這里描述的各種方法可以免去對于額外的質(zhì)子交換膜層基底的需要，例如通常用于質(zhì)子交換膜層的 制備和處理的聚乙烯和聚丙烯聚合物基薄膜。這里描述的各種方法同樣免去對
于催化齊囀印基底的需要，例如多孔ePTFE或無孔基底薄膜例如乙烯-四氟乙烯 (ETFE),并免去通常膜電極組^(MEA)制備中的將催化劑層IO轉(zhuǎn)印到薄膜上的 熱壓轉(zhuǎn)印步驟。
0024如圖3中所示，在一實施方案中，將輔助墊圈20布置在第一質(zhì)子交換 膜層18上。在一實施方案中，可以在第一質(zhì)子交 奐膜層18上沉積、澆注、絲 網(wǎng)印刷或鑄模輔助墊圈材料或液體，并且將其硬化、固化或TM以形成輔助墊 圈20。在另一個實施方案中，澆注、鑄?；蛘咛峁┳鳛榫哂星锌诘谋∧て妮o 助墊圈材料或者液體以提供膜電極組件的電化學(xué)活性區(qū)域。該輔助墊圈可以在 完成的膜電極組件周邊提供期望的化學(xué)、機械和電氣性能和特性且同時包括整 體的彈性體密封。
0025在一實施方案中，在該涂有催化劑的氣體擴散介質(zhì)層上的該濕潤質(zhì)子交 ^M層的沉積允許〗柳例如輥軋法的連續(xù)工藝來制作繊電極組件。在這種工 藝中，可以從更長或連續(xù)的片上切下涂有催化劑的的擴散介質(zhì)層上的薄膜制蟲 片。例如，其上具有第一質(zhì)子交換膜層的涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層可 以被切成至少兩部分。該工藝可以免去對于易損薄膜片操作的需要且同時 ^> 對齊步驟。該工藝可以免去對于提供額外基底的需要，例如用于制造或者傳輸 該質(zhì)子交換膜的塑料或高分子膜。
0026如圖4A所示，在一實施方案中，第二催化劑層22被施加在第二氣體擴 散介質(zhì)層24上以形成涂有第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層26。在輔助墊圈20的 切口中接收第二催化劑層22的至少一部分。第二催化劑層22包括合適的催化 劑顆粒例如金屬如鉑、鉑合金以及燃料電池領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其它催化劑。 第二氣體擴散介質(zhì)層24可以是傳統(tǒng)的燃料電池氣體擴散材料，例如非織造碳纖 維紙、織sit碳布或碳泡沫。第二催化劑層22的施加可以包括倒可合適的施加方 法，例如軋輥、涂刷或噴凃。在另一個實施方案中，任選的第二微孔層28被施 加在第二氣體擴散介質(zhì)層24上，并且第二催化劑層22被施加在第二微孔層28 上以形成涂有第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層26。該微孔層28包括顆粒和粘結(jié) 劑。用于該微孔層28的合，粒可以包括但是不局限于石墨 粒、石墨化的 碳顆?；?qū)щ姷腶ij粒。用于該微孔層28的合適粘結(jié)劑可以包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、氟代乙烯丙烯(FEP)或其它有機或無機^7K材料中 的至少一種。
0027第二微孔層28的施加可以包括任何合適的施加方法，例如軋輥、涂刷 或o^凃。涂有第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層26和形^涂有第一催化劑的氣體 擴散介質(zhì)層16上的第一質(zhì)子交換膜層18被熱壓在一起。在熱壓以后，將涂有 第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層26和形自涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層 16上的第一質(zhì)子交換膜層18切成至少兩部分。作為選擇，在熱壓之前將單獨的 片切成至少兩段。在一實施方案中，在熱壓之前，將輔助墊圈20布置在第一質(zhì) 子交換膜層18之上。在一實施方案中，可以在第一質(zhì)子交換膜層18上沉積、
澆注、絲網(wǎng)印刷或鑄模輔助墊圈材料或液體，且將其硬化、固化或^e燥以形成
輔助墊圈20。在另一個實施方案中，澆注、鑄模或者提供作為具有切口的薄膜 片的輔助墊圈材料或者液體以掛共膜電極組件的電化學(xué)活性區(qū)域。圖5中示出 了熱壓后的產(chǎn)品30。該工藝免去了操作易損薄膜片的需要并且同時M^了對齊 步驟。該工藝可以免去對于提供客妙卜基底，例如用于制i^者傳輸該質(zhì)子交換 膜的塑料或高^T膜的需要。
0028如圖4B所示，該輔助墊圈20可以延伸超出第一質(zhì)子交換膜層18和涂 有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層16的邊緣。在圖4C示出的另一個實施方案中， 可以提供彈性體密封件19與延伸超出第一質(zhì)子交換膜層18和涂有第一催化劑 的氣體擴散介質(zhì)層16 :ii^的輔助墊圈20相，賴蟲?？梢証f共雙極板以接收涂有 第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層26的一部分和接收涂有第一催化齊啲氣體擴散介 質(zhì)層16和第一質(zhì)子交換膜層18的一部分，使得雙極板與密封件19接合以將反 應(yīng)氣體封閉在該雙極板之間。在替代方案中，該密封件19延伸足夠距離以覆蓋 涂有第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層26、涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層16 和第一質(zhì)子交換膜層18。
0029在未示出的一實施方案中，圖5示出的產(chǎn)品30的輔助墊圈20還可以延 伸超出第一質(zhì)子交換膜層18的邊緣且該輔助墊圈20可以包括彈性體密封件9。0030在一實施方案中，涂有第--催化劑的氣體擴散介質(zhì)層16是陰極氣體擴 散介質(zhì)層并且涂有第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層26是陽極氣體擴散介質(zhì)層。在 另一個實施方案中，涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層16是陽極氣體擴散介質(zhì) 層并且涂有第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層26是陰極氣體擴散介質(zhì)層。正如本領(lǐng)^!^f熟知的，氣體擴散介質(zhì)層12和24分別提供到催化劑層10和22的氣體傳 輸，且任選的微 L層14和28是瞎水層，其協(xié)助離開質(zhì)子交換膜的水的管理。0031在圖6中示出的另一個實施方案中，將第二濕潤質(zhì)子交換膜層沉積在涂 有第二催化劑的擴散介質(zhì)層26上。第二濕潤質(zhì)子交換膜的形成可以包括任何合 適的技術(shù)，例如澆注、層疊或浸透。第二濕潤質(zhì)子交換膜可以包括載體或加強 片，例如一片多孑L材料，例如膨脹的聚四氟乙烯(ePTFE)或賺隆。在另一個實 施方案中，第二濕潤質(zhì)子交換膜可以包括載體，其包括厚度小于30mhi的多孑L材 料、厚度小于30MJii的紙、聚烯烴、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、棘硫醚或具有晶 體熔lffi度的聚合物中的一種，該聚^/不會溶解在用于將離聚物浸透在該載 體材料內(nèi)的涂布翻喊分散劑中。在一實施方案中，該形成包括澆注，其中將 加強片均勻地沉積在催化劑層22的上方且將離聚物溶、，加在該加強片上。該 離聚物溶液可以是但不限于包括在40 wt% 1-丙醇和60 wt。/。水中的Nafion 1000 的離聚物懸浮液。該離聚物溶液可以浸漬或者i真充該加強片的 L。該離聚物溶 液還可穿透該催化劑層22和該微 L層28中的至少一個。在一實施方案中，可 以加熱該離聚物溶液以蒸發(fā)出翻U且提供通過ePTFE增強的干燥固,，薄 膜。
0032在另一個實施方案中，第二濕潤質(zhì)子交，繊的形成包括層疊、浸透或噴 涂，其中將該加強片沉浸在該離聚物溶液中以形成濕潤的薄膜，然后將這個濕 潤的加強薄膜均勻地沉積在該催化劑層22的上方。
0033織二濕潤質(zhì)子交^MM可以被干燥，仔咖在低壓下，以形麟二質(zhì)子 交換膜層32。
0034正如圖6中所示的，將輔助墊圈20布置在第一質(zhì)子交換膜層18的上方。 在未示出的一實施方案中，圖6的輔助墊圈20可以延伸超出第一質(zhì)子交換膜層 18的邊緣并且該輔助墊圈包括彈性體密封件19。在另一個實船案中，將iM 助墊圈20布置在第二質(zhì)子交換膜層32的上方。在一實施方案中，將這些層濕 潤地組合在一起。在另一個實施方案中，形,涂有第一催化劑的氣體擴散介 質(zhì)層16上的第一干燥質(zhì)子交換膜層18和形^涂有第二催化劑的氣體擴散介 質(zhì)層26上的第二干燥質(zhì)子交換膜層32被熱壓在一起。作為選擇，在熱壓之前 將斜蟲的片切成至少兩段。圖7中示出了熱壓得到的產(chǎn)品34。在該實施方案中， 第二離子導(dǎo)電薄膜層32的一部分位于輔助墊圈20之上且第一離子導(dǎo)電質(zhì)子交
ii換膜層18的一部分位于輔助墊圈20之下。在另一個實施方案中，在熱壓之前 該輔助墊圈20沒有布置在第一質(zhì)子交換膜層18或第二質(zhì)子交換膜層32的上方。 在一實施方案中，將該產(chǎn)品34切成至少兩部分。在一未示出實施方案中，圖7 的輔助墊圈20還可以延伸超出第一質(zhì)子交換膜層18的邊緣且該輔助墊圈20包 括彈性體密封件19。
0035下列實施例舉例說明了本發(fā)明的各種實施方案。0036實施例1，將從Toraylndustries,Inc獲得的碳纖維紙使用微孔層(包括特氟 隆乳濁銜涂布，在35(TC下燒結(jié)，且隨后j頓在液體離聚物溶液中的碳載鉑的 懸浮銜Tanaka)來涂布。在8(TC壓^J:加熱該多層涂布的碳纖維紙，{頓具有 12密,布縫隙的Bird敷料器并在12.5 mm/秒下運轉(zhuǎn)的Erichsen涂料器來施加離 聚物懸浮液(40wt% 1-丙醇和60wt。/。水中的Nafion 1000)。將該離聚^T凃?qū)釉?80'C下干燥一小時。隨后在13(TC下加熱該組合物兩小時。第二片具有微孔層的 涂有催化劑的氣體擴散層被置于干燥離聚物的上執(zhí)催化劑面向離聚物薄膜層) 中間夾^apton薄膜的輔助墊圈，且在320—350。F之間以20—300磅/平方英寸 的壓力下熱壓該組合物6併巾。在冷卻到室溫之后，將得到的組合物用作燃料 電池中膜電極組件進(jìn)行刑介。
0037實施例2。將從Toraylndustnes,Inc獲得的碳纖維紙使用微 L凰包括特氟 隆乳濁銜涂布，在35(TC下燒結(jié)，且隨后4頓在液體離聚物溶液中的碳載鈾的 懸浮液(Tanaka)來涂布。隨后在12(TC下加熱該多層30併中。隨后在8(TC壓板 上加熱催化劑側(cè)向上的該多層涂布碳纖維紙，且將膨脹的特氟隆薄,oiialdson Tetratex 1316)均勻鋪展在碳紙擔(dān)載的催化劑層上。隨后使用具有12密，布縫 隙的Bird敷料器的以12.5 mm/秒運轉(zhuǎn)的Erichsen涂料器來施加離聚物懸浮液(40 wf)/oi-丙醇和60wt。/。水中的Nafion 1000)。在80。C下干燥該離聚物凃?qū)?小時再
在13(TC下千燥2小時。隨后將第二片具有微孔層的涂有催化劑的擴散介質(zhì)方icfi
在該涂布有干燥離聚物的氣體擴散層的頂部，將碳纖維紙的催化劑層側(cè)面向該 離聚物涂層。隨后在320—350。F下在20—300 ^/平方英寸的壓力下熱壓該組合 物六粥中。在冷卻到室溫之后，將得到的組^/用作燃料電池中膜電極組件來 進(jìn)行評價。
0038實施例3。將膨^lt氟隆薄,onaldsonTetratexl316)沉浸在離聚物懸 浮液(Nafion 1000， DE2020,從DuPontdeNemours購得)中，然后將該濕潤薄膜均勻鋪展在該催化劑層上部，該催化齊喔先前涂布在位于Toray碳纖維紙載體(030)上的燒結(jié)特氟隆微孔層的上部，正如實施例1中描述所制備的。隨后將該組合物iSEnchseii涂料器的8(TC壓板上加熱。第二層具有微孔層和催化劑層的碳纖維擴散介質(zhì)被施加在離聚物浸透的ePTFE層上，將該催化齊喔面向該離聚物層。隨后在320—350下下在20—300敏平方英寸壓力下熱壓該組合物六併中。糊導(dǎo)到的組合物用作氫一空氣燃料電池中的膜電極組件。0039實施例4。將離聚物的多個涂層連續(xù)施加在實施例1和2中制備的碳纖維載體上，直到獲得期望的離聚物薄膜厚度。
0040實施例5。多于一層的購自Donaldson的離聚物浸透的膨脹的四氟乙烯薄膜被施加給實施例3中制備的離聚物層上。布置該多層ePTFE使得該機器與ePTFE層的橫向方向彼此對角布置以改善組^l的強度。可選擇地或者另外地，將一層或多層離聚物懸浮液涂層施加在實施例3中的離聚物層上，直到獲得期望的干燥離聚物薄膜厚度。
0041實施例6。將膨脹的特氟隆薄膜(DonaldsonTetratexl316)沉浸在離聚物懸浮液(Nafion1000， DE2020，購自DuPontde Nemours)中，隨后在玻璃上均勻
鋪展該濕潤薄膜。碳纖維擴散介質(zhì)層IM加在濕潤的離聚物浸透的膨脹的聚四氟乙烯薄膜上。該碳纖維(Toray030)具有在碳上載有鉬的催化齊iJ層，先蒯每該催化劑層涂布在如實施例1所述制備的燒結(jié)特氟隆微孔層的上部。隨后在Enchsen涂料器的8CTC壓板上加熱該組合物。當(dāng)完全干燥時，通過浸沒在水中從玻璃上移出離聚物和擴散介質(zhì)組合物，直到該組合物脫離玻璃載體。使用12密耳縫隙:Bird敷料器將離聚物懸浮液的另一層施加在碳纖維擴散介質(zhì)上的第一離聚物層上，且在8(TC下的Enchsen涂料器的壓板上加熱該組合物。隨后從8(TC—12(TC階梯^卩熱該組合物，且隨后維持12(TC四個小時。第二層具有微孔層和催化劑層的碳纖維擴散介質(zhì)隨后被施加在離聚物層上，以催化劑層面向該離聚物層。隨后在320—350下下在20—300磅/平方英寸壓力下熱壓該多層組合物六射中。隨后將得到的組合物用作氫一空氣燃料電池中的膜電極組件。0042這里1糊的術(shù)語"以上，"之上，"位于...上面"磐是關(guān)于層與層之間的豐樹位置，這種描述的是這些尼互相直繊4蹄另一個層或其它恩西A^些層之間。0043本發(fā)明的上Ji描述實質(zhì)上僅是示范性的，因此其改變不被認(rèn)為偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1、一種方法，包括提供涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層，其包括在氣體擴散介質(zhì)層之上的第一催化劑涂層；和在涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層上沉積濕潤的第一質(zhì)子交換膜層。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法還包括，提供涂有第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層， 其包括位于氣體擴散介質(zhì)層之上的第二催化劑涂層；和使涂有第二催化劑的氣 Wf散介質(zhì)層與濕潤第一質(zhì)子交換膜層接觸。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2的方法還包括，在使涂有第二催化劑的氣^T散介質(zhì)層 與濕潤第一質(zhì)子交換膜層接觸之前，在濕潤第一質(zhì)子交換膜層上插入輔助墊圈 材料。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括將形^S涂有第H崔化劑的氣術(shù)廣散介質(zhì) 層上的濕潤第一質(zhì)子^^^層與涂有第二催化劑的氣體擴散介M^熱壓在一起。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述輔助墊圈材料延伸超過第一質(zhì)子交換 膜層的邊緣。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述輔助墊圈材料還包括彈性體密封件。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，還包括將形成在涂有第一催化劑的氣體擴散介 質(zhì)層上的濕潤第一質(zhì)子交換膜層和插入的輔助墊圈材料以及涂有第二催化劑的 氣Wf散介質(zhì)層熱壓在一起。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層或涂有 第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層中的至少一個包括插入在催化劑涂層和氣體擴散 介質(zhì)層之間的微 L層。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第一質(zhì)子交換膜層包括離聚物和膨脹的聚 四氟乙烯(ePTFE)的支撐膜，其中所述ePTFE與涂有催化劑的的氣體擴散介質(zhì)層 緊密接觸使得該離聚物被澆注至lJePTFE中。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第--質(zhì)子交換膜層包括離聚物和膨脹的 聚四氟乙烯(ePTFE)支撐膜，其中在接觸涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層之 前，該離聚物被浸入至iJePTFE中。
11、根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中第一質(zhì)子交換膜層包括離聚物和載體，其中在接觸涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層之前將該離聚物浸入到該載體中，并且其中所述載體包括厚度小于30網(wǎng)的多 W才料、厚度小于30拜的紙、 聚烯烴、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚苯硫醚(pdyphenylene sulfide)或具有晶體 熔解^Jt的聚合物中的至少一種，該聚合物不會溶解在用于將該離聚物浸入該 載體材料時使用的涂布MU或分散劑中。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括至少部分地干燥第一質(zhì)子交換鵬以 形成干燥的第一質(zhì)子交換膜層。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括在立即沉積第一質(zhì)子交^M層之前， 氣體擴散介質(zhì)層上的催化齊it凃?qū)邮菨駶櫟幕蛑辽俨糠譂駶櫟摹?br> 14、 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中在立即將涂有第二催化劑的氣體擴散介 質(zhì)層與第一質(zhì)子交換,接觸之前，氣體擴散介質(zhì)層上的第二催化劑涂層是至 少部分濕潤的。
15、 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括在所述的接觸之前，將涂有第二催化 劑的氣體擴散介質(zhì)層和形成在涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層上的第一質(zhì)子 交換膜層切成至少兩部分。
16、 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，還包括在所述的熱壓之前，將形成在、凃有第 一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層上的第一質(zhì)子交換膜層和涂有第二催化劑的氣體擴 散介質(zhì)層切成至少兩部分。
17、 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，還包括在所述的熱壓之后，將形成在涂有第 一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層上的第一質(zhì)子交換膜層和涂有第二催化劑的氣體擴 散介質(zhì)層切成至少兩部分。
18、 一種方法，包括提供涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層和、凃有第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層；在涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層上沉積濕潤第一質(zhì)子交換膜層并干燥 該第一質(zhì)子交換膜層以形成第一質(zhì)子交換膜層；在涂有第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層上沉積濕潤第二質(zhì)子交換膜層并干燥 該第二質(zhì)子交換膜層以形，二質(zhì)子交換膜層；和將形成在涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層上的第一質(zhì)子交換膜層和形成 在涂有第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層上的第二質(zhì)子交換膜層熱壓在一起。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18的方法還包括，在^f述的熱壓以前，將輔助墊圈插入 到第一質(zhì)子交換膜層和第二質(zhì)子交換膜層之間。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述輔助墊圈材料延伸皿第一質(zhì)子交
21、 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述的輔助墊圈材料還包括彈性體密封件。
22、 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中第一或第二質(zhì)子交換膜層中的至少一個 包括離聚物和膨脹的聚四氟乙烯(ePTFE)支撐膜，其中所述ePTFE與涂有催化劑 的氣體擴散介質(zhì)層緊密接觸使得該離聚物被澆注到ePTFE中。
23、 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中第一^m二質(zhì)子交換膜層中的至少一個 包括離聚物和載體，其中在接觸涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層之前，該離 聚物被浸入到該載體中，該載體包括厚度小于30Mm的多孑L材料、厚度小于30nm 的紙、聚烯烴、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚苯硫醚或具有晶體熔角軒顯度的聚合 物中的至少一種，該聚合物不會溶角tt用于將該離聚物浸入該載體材料時使用 的涂布溶劑或分散劑中。
24、 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中第一或第二質(zhì)子交換膜層中的至少一個 包括離聚物和膨脹的聚四氟乙烯(ePTFE)支撐膜，其中在接觸涂有第一催化劑的 氣體擴散介質(zhì)層之前，該離聚物被浸入到該ePTFE中。
25、 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中第一質(zhì)子交換膜層，二質(zhì)子交換膜層 中的至少一個在立即熱壓之前至少是部分濕潤的。
26、 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中在立即沉積質(zhì)子交換膜層之前，涂有第 一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層或涂有第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層中的至少一個 包括至少部分濕潤的催化劑涂層。
27、 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層或涂 有第二催化齊啲氣體擴散介質(zhì)層中的至少一個包括插入在催化齊餘層和氣體擴 散介質(zhì)層之間的微孔層。
28、 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，還包括將其上具有第一質(zhì)子交換膜層的涂有 第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層或其上具有第二質(zhì)子交換膜層的涂有第二催化劑 的氣體擴散介質(zhì)層中的至少---個切成至少兩部分。
29、 一種產(chǎn)品，包括第-1體擴散介質(zhì)層和位于第^t體擴散介質(zhì)層上的第一催化劑層； 第二氣體擴散介質(zhì)層和位于第二氣體擴散介質(zhì)層上的第二催化劑層； 位于第一催化劑層，二催化齊IJ層中至少一個之上的質(zhì)子交換膜層；禾口 插入在第一催化劑層和第二催化劑層之間的輔助墊圈，其中質(zhì)子交換膜層 的一部分位于輔助墊圈之上并且質(zhì)子交換膜層的一部分位于輔助墊圈之下。
30、 根據(jù)權(quán)利要求29的產(chǎn)品，其中第一催化劑層是陽極催化劑層，第二催 化劑層是陰極催化劑層。
31、 根據(jù)權(quán)利要求29的產(chǎn)品，其中第一催化劑層和第二催化劑層中的每一 4^括鉬或鉬合金中的至少一種。
32、 根據(jù)權(quán)利要求29的產(chǎn)品，其中所述的質(zhì)子交換膜層包括離聚物和膨脹 的聚四氟乙烯(ePTFE)支撐膜，其中所述離聚物至少填充該ePTFE的全部多孔結(jié) 構(gòu)。
33、 根據(jù)權(quán)利要求29的產(chǎn)品，其中所述的質(zhì)子交換膜層包括離聚物和載體， 其中在接觸涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層之前，該離聚物被浸入到該載體 中，并且其中所述載體包括厚度小于30Mm的多孑W才料、厚度小于30拜的紙、 聚烯烴、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚苯硫醚或具有晶體熔^^的聚合物中的 至少一種，該聚合物不會溶解于在將該離聚物浸入該載體材料時^吏用的涂布溶 劑或分散劑。
34、 根據(jù)權(quán)利要求29的產(chǎn)品，其中第1體擴散介質(zhì)層和第二氣體擴散介 質(zhì)層中的每一個包括非纟)^碳纖維紙、纟i^碳布或碳泡沫中的至少一種。
35、 根據(jù)權(quán)利要求29的產(chǎn)品，其中所述輔助墊圈材料延伸皿第一質(zhì)子交 換膜層的邊緣。
36、 根據(jù)權(quán)利要求35的產(chǎn)品，其中所述輔助墊圈材料還包括彈性體密封件。
37、 根據(jù)權(quán)利要求29的產(chǎn)品，還包括位于第一氣體擴散介質(zhì)層或第二氣體 擴散介質(zhì)層中至少一個之上的微孔層。
38、 根據(jù)權(quán)利要求37的產(chǎn)品，其中所述微孔層包括粘結(jié)劑和顆粒。
39、 根據(jù)權(quán)利要求38的產(chǎn)品，其中所述粘結(jié)齊抱括聚四氟乙烯(PTFE)、聚 偏氟乙烯(PVDF)或氟代乙烯丙烯(FEP)中的至少--種。
40、 根據(jù)權(quán)利要求38的產(chǎn)品，其中所，粒包括石墨自粒、石墨化的碳 顆?；?qū)щ姷奶碱w粒中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用氣體擴散電極作為基底的質(zhì)子交換膜的制造方法。一個實施方案包括一種方法，其包括提供涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層，在該涂有第一催化劑的氣體擴散介質(zhì)層上沉積濕潤的第一質(zhì)子交換膜層以形成第一質(zhì)子交換膜層；提供涂有第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層；使該涂有第二催化劑的氣體擴散介質(zhì)層或第二質(zhì)子交換膜層與該第一質(zhì)子交換膜層接觸；并且將涂有催化劑的擴散層和質(zhì)子交換膜層熱壓在一起。
文檔編號H01M4/88GK101483243SQ20091000728
公開日2009年7月15日 申請日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
發(fā)明者M·J·博伊特爾, T·J·富勒 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司