專利名稱：具有借助于混合的當量重量離聚物而大龜裂減少的改進電極的制作方法
技術領域：
在至少一個方面，本發(fā)明涉及用于燃料電池的催化劑層，和特別是涉及顯示大龜裂減少的催化劑層。
背景技術：
燃料電池用作許多應用中的電源。特別地，建議在汽車中使用燃料電池來替代內燃機。通常使用的燃料電池結構使用固體聚合物電解質(“SPE”)膜或質子交換膜(“PEM”)，以在陽極和陰極之間提供離子傳輸。在質子交換膜型燃料電池中，氫氣供給至陽極作為燃料，氧氣供給至陰極作為氧化劑。氧氣可以為純的形式(O2)或為空氣(02和隊的混合物)。PEM燃料電池典型地具有膜電極組合體(“MEA”)，其中固態(tài)聚合物膜在一個面上具有陽極催化劑，在對面具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極和陰極層由多孔導電材料，例如織物石墨、石墨化片材或碳紙形成，所述多孔導電材料能夠使燃料和氧化劑分別在朝向燃料-和氧化劑-供給電極的膜表面之上擴散。各電極具有擔載在碳顆粒上的細碎催化劑顆粒(例如鉬顆粒)，以促進氫氣在陽極處氧化以及氧氣在陰極處還原。質子從陽極起穿過離子導電聚合物膜，流到陰極，在那里它們與氧氣化合形成從電池中排出的水。MEA夾在一對多孔氣體擴散層(“GDL”)之間，所述多孔氣體擴散層進而夾在一對無孔導電元件或片材之間。該板材起陽極和陰極的電流收集器的作用，并且包含適當的通道和其中形成的開孔，以使燃料電池的氣體反應劑在各陽極和陰極催化 劑的表面之上分布。為了有效地產生電能，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須薄、化學穩(wěn)定、質子可傳輸、不導電和不透氣。在典型的應用中，燃料電池以許多獨立燃料電池組的陣列的形式提供，以提供高水平的電能。形成MEA的一種方法包括通過在墊片框架(shim frame)中直接噴涂或涂布,在PEM上沉積電極油墨。電極可以在貼花膜(decal)上形成，并轉印至PEM。另外，催化劑/離聚物油墨可以涂布在氣體擴散介質(GDM)基材上，被稱為催化劑涂布擴散介質(CCDM)。電極油墨典型地包括載體，例如碳載體上的粉末催化劑，以及在混合溶劑中分散的離聚物溶液。該混合溶劑通常以特殊比率包含一種或多種有機溶劑，例如醇，以及水，取決于催化劑類型。在涂布到PEM、貼花膜基材或GDM上之前，然后將該混合物通過球磨均化至多約3天。對于墊片涂布，可以通過墊片厚度來控制催化劑載荷；對于Mayer繞線棒涂布，可以通過絲數控制催化劑載荷。根據需要，為了更高的催化劑載荷，可以施加多次涂布。施涂潮濕油墨之后，將溶劑在烘箱中干燥，去除溶劑并形成電極。催化劑/離聚物涂布貼花膜干燥之后，然后通過熱壓，將催化劑/離聚物轉印到PEM上形成MEA。陽極和陰極可以同時熱壓到PEM上。熱壓的壓力和時間可以按照不同的MEA類型加以變化。由油墨組合物形成的催化劑層傾向于在表面上形成被稱作“大龜裂”的網狀裂紋。大龜裂已知會使燃料電池性能下降，特別是相對于濕度變化和電池循環(huán)而言。特別地，大龜裂導致在膜中形成針孔。形成針孔導致膜分解，并因此導致MEA壽命減少。
現有技術中已知一些減少大龜裂的方法。例如，可以通過增加催化劑油墨干燥的時間來減少大龜裂。雖然這種技術作用適當好，但是干燥時間增加提高了制造成本。因此，需要減少燃料電池中的催化劑層中的大龜裂的新方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明通過提供用于形成燃料電池電極的油墨組合物來解決現有技術的一個或多個問題。該油墨組合物包括當量重量低于800的第一種含供質子基團的離聚物，任選的當量重量大于800的第二種含供質子基團的離聚物，和催化劑組合物。有利地，發(fā)現本實施方案的油墨組合物來形成催化劑層，和特別是形成大龜裂減少的陰極層。在另一個實施方案中，提供使用該油墨組合物形成燃料電池電極層，和特別是燃料電池陰極層的方法。該方法包括將油墨組合物層施加于氣體擴散層以形成涂布的氣體擴散層的步驟。該油墨組合物特征在于包括當量重量低于800的第一種含供質子基團的離聚物，任選的當量重量大于800的第二種含供質子基團的離聚物，和催化劑組合物。然后將涂布的氣體擴散層干燥，以形成布置在該氣體擴散層上的燃料電池陰極層。 在另一個實施方案中，提供引入上述催化劑層的燃料電池。該燃料電池包括第一氣體擴散層和布置在該第一氣體擴散層之上并與其接觸的陰極層。該陰極層特征在于包括當量重量低于800的第一種含供質子基團的離聚物，任選的當量重量大于800的第二種含供質子基團的離聚物，和催化劑組合物。燃料電池還包括陽極層，插入陰極層和陽極層之間的離子導電層，布置在陽極層之上的第二氣體擴散層，布置在第一氣體擴散層之上的第一流場板，和布置在第二氣體擴散層之上的第二流場板。本發(fā)明還包括以下方面:
1.用于形成燃料電池電極的油墨組合物，該油墨組合物包含:
第一種當量重量低于800的含供質子基團的離聚物；
任選的第二種當量重量大于800的含供質子基團的離聚物；和 催化劑組合物。2.方面I的油墨組合物，其中第一種含供質子基團的離聚物和第二種含供質子基團的離聚物各自獨立地包含選自-S02X、-PO3H2和-COX的組成部分；和
X為-0H、鹵素、酯,或
權利要求
1.用于形成燃料電池電極的油墨組合物，該油墨組合物包含: 第一種當量重量低于800的含供質子基團的離聚物； 任選的第二種當量重量大于800的含供質子基團的離聚物；和 催化劑組合物。
2.權利要求1的油墨組合物，其中第一種含供質子基團的離聚物和第二種含供質子基團的離聚物各自獨立地包含選自_S02X、-PO3H2和-COX的組成部分；和
3.權利要求1的油墨組合物，其中第一種含供質子基團的離聚物具有低于750的當量重量，第二種含供質子基團的離聚物具有大于850的當量重量。
4.權利要求1的油墨組合物，其中第一種含供質子基團的離聚物和第二種含供質子基團的離聚物各自獨立地為全氟磺酸(PFSA)聚合物。
5.權利要求1的油墨組合物，其中第一種含供質子基團的離聚物和第二種含供質子基團的離聚物各自獨立地包括具有全氟環(huán)丁基基團的聚合物，其中該全氟環(huán)丁基基團為:
6.權利要求5的油墨組合物，其中第一種含供質子基團的離聚物和第二種含供質子基團的離聚物各自獨立地包括包含聚合物鏈段I的聚合物鏈段:
7.權利要求5的油墨組合物，其中第一種含供質子基團的離聚物和第二種含供質子基團的離聚物各自獨立地包括聚合物鏈段2和3:
8.權利要求5的油墨組合物，其中第一種含供質子基團的離聚物和第二種含供質子基團的離聚物各自獨立地包括聚合物鏈段4和5:
9.權利要求5的油墨組合物，其中第一種含供質子基團的離聚物和第二種含供質子基團的離聚物各自獨立地包括聚合物鏈段6和7:
10.方法，包括: a)將油墨組合物層施加于氣體擴散層，以形成涂布的氣體擴散層，該油墨組合物包含: 第一種當量重量低于800的含供質子基團的離聚物； 任選的第二種當量重量大于800的含供質子基團的離聚物； 溶劑； 催化劑組合物；和 b)從所述氣體擴散層去除所述溶劑，以形成布置在該氣體擴散層上的燃料電池陰極層。
全文摘要
本發(fā)明提供用于形成燃料電池電極，和特別是燃料電池陰極層的油墨組合物。該油墨組合物包括當量重量低于800的第一種含供質子基團的離聚物，任選的當量重量大于800的第二種含供質子基團的離聚物，和催化劑組合物。還提供由該油墨組合物形成的電極層。
文檔編號H01M4/88GK103146247SQ20121051852
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月6日 優(yōu)先權日2011年12月6日
發(fā)明者B.M.霍塔林, T.A.格雷什勒, T.J.富勒 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司