燃料電池的外部增強(qiáng)上的直接涂覆的膜電極組件的制作方法
【專利摘要】公開了制造具有一個(gè)或多個(gè)自立的外部增強(qiáng)層的增強(qiáng)的膜電極組件的方法。所述方法包括提供自立的外部增強(qiáng)層，和將催化劑溶液和膜溶液沉積到所述自立的外部增強(qiáng)層的至少一部分上。
【專利說明】燃料電池的外部增強(qiáng)上的直接涂覆的膜電極組件
[0001]優(yōu)先權(quán)
本申請(qǐng)為 2011 年3 月 25 日提交的名稱為“Directed Catalyst Coating on FreestandingMicroporous Layer”的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)13/071，603的部分連續(xù)申請(qǐng),通過引用將其結(jié)合到本文中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本文記述的實(shí)施方案一般涉及涂覆燃料電池部件的方法，且更具體地，其涉及將多個(gè)燃料電池部件涂層涂覆在自立的外部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)上。

【背景技術(shù)】
[0003]燃料電池，有時(shí)其被稱為電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池，通過處理反應(yīng)物，例如，通過氫和氧的氧化和還原，來產(chǎn)生電能。氫可以是非常有吸引力的燃料，因?yàn)槠涫羌儍舻牟⑶宜梢杂脕碓谌剂想姵刂杏行У禺a(chǎn)生電。汽車工業(yè)已經(jīng)在氫燃料電池作為車輛的動(dòng)力來源的開發(fā)中花費(fèi)了大量的資源。由氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的車輛可以比利用內(nèi)燃機(jī)的當(dāng)今的車輛更有效率并產(chǎn)生更少的排放。
[0004]在一些燃料電池系統(tǒng)中，將氫或富氫氣體作為反應(yīng)物通過流路提供至燃料電池的陽極側(cè)，而將氧(如以大氣氧的形式的)作為反應(yīng)物通過分離的流路提供至燃料電池的陰極偵U。所述陽極和陰極促進(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)和帶負(fù)電荷的離子(對(duì)于氧)。電解質(zhì)層使陽極與極陰分離以使離子選擇性地通過從陽極至陰極，同時(shí)禁止產(chǎn)生的電子的通過，其相反被迫流經(jīng)外部導(dǎo)電電路(如，負(fù)載)以作有用功然后在陰極上與所述帶電離子重新結(jié)合。在陰極上帶正電荷和帶負(fù)電荷的離子的結(jié)合導(dǎo)致產(chǎn)生作為反應(yīng)的副產(chǎn)物的無污染的水。
[0005]傳統(tǒng)的質(zhì)子交換膜(“PEM”)燃料電池可以包括固體聚合物電解質(zhì)膜(或質(zhì)子交換膜)并在該聚合物膜兩側(cè)上的都具有電極層，形成膜電極組件(“MEA”)的。所述膜電極組件可以位于一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)層之間，其每一個(gè)都具有形成在擴(kuò)散介質(zhì)上的微孔層，并且在所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)層的外側(cè)放置陰極板和陽極板。壓縮所述部件以形成燃料電池。
[0006]然而，燃料電池具有那些會(huì)降低燃料電池壽命的缺點(diǎn)。例如，涂覆在固體聚合物電解質(zhì)膜兩側(cè)的電極層可能在界面上具有降低的結(jié)合，導(dǎo)致不太耐久的燃料電池。此外，由于在子墊圈上發(fā)生的MEA過壓縮和MEA壓縮不足可能會(huì)縮短膜的壽命，并由此縮短燃料電池的壽命。用來形成MEA的制造方法可能引起過壓縮，其中所述膜溶脹并在整個(gè)MEA上產(chǎn)生壓縮載荷不一致。這會(huì)導(dǎo)致構(gòu)成MEA的各種部件的永久變形。壓縮不足也可能由于制造方法而發(fā)生并會(huì)導(dǎo)致膜的屈曲。膜的屈曲可能導(dǎo)致形成在其上的陽極和陰極中的一個(gè)開裂。
[0007]因此，本文公開了替代燃料電池、增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)、膜電極組件和制造方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本文公開的實(shí)施方案為制造增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。所述方法包括提供自立的外部增強(qiáng)層，將催化劑溶液沉積到所述自立的外部增強(qiáng)層的至少一部分上以形成催化劑層，和將膜溶液沉積到所述催化劑層的至少一部分上以形成增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0009]本文還公開的實(shí)施方案為制造增強(qiáng)的膜電極組件的方法。所述方法包括將第一催化劑溶液沉積到第一自立的外部增強(qiáng)層的至少一部分上以在所述第一自立的外部增強(qiáng)層上形成第一催化劑層，將第一膜溶液沉積到所述第一催化劑層的至少一部分上以在所述第一催化劑層上形成第一膜層，其中所述第一自立的外部增強(qiáng)層、所述第一催化劑層和所述第一膜層一起構(gòu)成第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)，將第二催化劑溶液沉積到第二自立的外部增強(qiáng)層的至少一部分上以形成第二催化劑層，其中所述第二自立的外部增強(qiáng)層和所述第二催化劑層一起構(gòu)成第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)，以及連接所述第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)和所述第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)以形成膜電極組件，其中連接是這樣的:所述第一膜層位于所述第一催化劑層和所述第二催化劑層之間。
[0010]本文還公開的實(shí)施方案為制造增強(qiáng)的膜電極組件的方法。所述方法包括將第一催化劑溶液沉積到第一自立的外部增強(qiáng)層的至少一部分上以在所述第一自立的外部增強(qiáng)層上形成第一催化劑層，將第一膜溶液沉積到所述第一催化劑層的至少一部分上以在所述第一催化劑層上形成第一膜層，其中所述第一自立的外部增強(qiáng)層、所述第一催化劑層和所述第一膜層一起構(gòu)成第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)，將第二催化劑溶液沉積到氣體擴(kuò)散介質(zhì)的至少一部分上以形成第二催化劑層，其中所述第二自立的外部增強(qiáng)層和所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)一起構(gòu)成第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)，以及連接所述第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)和所述第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)以形成膜電極組件，其中連接是這樣的:所述第一膜層位于所述第一催化劑層和所述第二催化劑層之間。
[0011]本發(fā)明涉及以下具體方面:
1.制造增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，包括:
提供自立的外部增強(qiáng)層；
將催化劑溶液沉積到所述自立的外部增強(qiáng)層的至少一部分上以形成催化劑層；和將膜溶液沉積到所述催化劑層的至少一部分上以形成增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0012]2.根據(jù)方面I所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括在沉積所述催化劑溶液之前，將墊片框放在所述自立的外部增強(qiáng)層上。
[0013]3.根據(jù)方面I所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括在沉積所述膜溶液之前，將墊片框放在所述催化劑層上。
[0014]4.根據(jù)方面I所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括在沉積所述膜溶液之前，干燥所述催化劑層。
[0015]5.根據(jù)方面I所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括干燥所述增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0016]6.根據(jù)方面I所述的方法，其中同時(shí)沉積所述催化劑溶液和所述膜溶液。
[0017]7.根據(jù)方面6所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括干燥所述增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0018]8.根據(jù)方面I所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括向所述自立的外部增強(qiáng)層施加真空以將其保持在原位。
[0019]9.制造增強(qiáng)的膜電極組件的方法，所述方法包括:
將第一催化劑溶液沉積到第一自立的外部增強(qiáng)層的至少一部分上以在所述第一自立的外部增強(qiáng)層上形成第一催化劑層；
將第一膜溶液沉積到所述第一催化劑層的至少一部分上以在所述第一催化劑層上形成第一膜層，其中所述第一自立的外部增強(qiáng)層、所述第一催化劑層和所述第一膜層一起構(gòu)成第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)；
將第二催化劑溶液沉積到第二自立的外部增強(qiáng)層的至少一部分上以形成第二催化劑層，其中所述第二自立的外部增強(qiáng)層和所述第二催化劑層一起構(gòu)成第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)；和
連接所述第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)和所述第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)以形成膜電極組件，其中連接是這樣的:所述第一膜層位于所述第一催化劑層和所述第二催化劑層之間。
[0020]10.根據(jù)方面9所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括在沉積所述第一催化劑溶液之前，將第一墊片框放在所述第一自立的外部增強(qiáng)層上。
[0021]11.根據(jù)方面9所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括在沉積所述第二催化劑溶液之前，將第二墊片框放在所述第二自立的外部增強(qiáng)層上。
[0022]12.根據(jù)方面9所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括向所述第一和/或第二自立的外部增強(qiáng)層施加真空以將其保持在原位。
[0023]13.根據(jù)方面9所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括在沉積所述膜溶液之前，干燥所述第一催化劑層。
[0024]14.根據(jù)方面9所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括干燥所述第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)和干燥所述第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0025]15.根據(jù)方面9所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括將子墊圈材料放在所述第一膜層和所述第二催化劑層之間。
[0026]16.根據(jù)方面9所述的方法，其中同時(shí)沉積所述第一催化劑溶液和所述第一膜溶液。
[0027]17.根據(jù)方面16所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括干燥所述第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0028]18.根據(jù)方面9所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括:
將第二膜溶液沉積到所述第二催化劑層的至少一部分上以在所述第二催化劑層上形成第二膜層，其中所述第二自立的外部增強(qiáng)層、所述第二催化劑層和所述第二膜層一起構(gòu)成第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)；和
連接所述第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)和所述第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)以形成膜電極組件，其中連接是這樣的:所述第一膜層和所述第二膜層位于所述第一催化劑層和所述第二催化劑層之間。
[0029]19.根據(jù)方面18所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括干燥所述第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)和干燥所述第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0030]20.根據(jù)方面18所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括將子墊圈材料放在所述第一膜層和所述第二催化劑層之間。
[0031]本文記述的燃料電池、增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)、膜電極組件和制造方法的實(shí)施方案的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的詳細(xì)說明中闡述，并且由該說明對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說它們將在某種程度上變得顯而易見或通過實(shí)施本文(包括下面的詳細(xì)說明、權(quán)利要求書和附圖)記述的實(shí)施方案而認(rèn)識(shí)到。
[0032]前述一般說明和以下詳細(xì)說明都記述了各種實(shí)施方案并意在為理解要求保護(hù)的主題的性質(zhì)和特性提供概述或框架。附圖用于提供對(duì)各種實(shí)施方案的進(jìn)一步理解，并且被結(jié)合到和構(gòu)成說明書的一部分。【專利附圖】

【附圖說明】了本文記述的各種實(shí)施方案，并與說明書一起用來解釋要求保護(hù)的主題的原理和操作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1A和IB示意地描繪了根據(jù)本文顯示和/或記述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的制造增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)的示例性涂覆方法。
[0034]圖2A和2B示意地描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的兩個(gè)制造增強(qiáng)的膜電極組件的示例性方法。
[0035]圖3描繪了根據(jù)本文顯示和/或記述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的增強(qiáng)的膜電極組件的掃描電子顯微照片。
[0036]圖4圖解描繪了對(duì)比根據(jù)本文顯示和/或記述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案形成的燃料電池的性能的圖表。
[0037]圖5圖解描繪了對(duì)比根據(jù)本文顯示和/或記述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案形成的燃料電池的耐久性的圖表。

【具體實(shí)施方式】
[0038]下面將詳細(xì)參照制造增強(qiáng)的膜電極組件和子組件的方法和產(chǎn)品的實(shí)施方案，其例顯示在附圖中。在整個(gè)附圖中將盡可能使用同一附圖標(biāo)記表示相同或相類的部分。本文公開了增強(qiáng)的膜電極組件和子組件和制造方法。
[0039]制造增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法通常包括提供自立的外部增強(qiáng)層，將催化劑溶液沉積到所述自立的外部增強(qiáng)層的至少一部分上以形成催化劑層，和將膜溶液沉積到所述催化劑層的至少一部分上以形成增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)?！白粤ⅰ北硎静灰栏接谥螁卧?例如，基材)，并可以在制造過程中被操縱，而沒有起皺、折疊、屈曲或發(fā)生其他工藝損壞的最小風(fēng)險(xiǎn)。
[0040]在本文的實(shí)施方案中，所述方法可以進(jìn)一步包括在沉積所述催化劑溶液之前，將墊片框(shim frame)放在自立的外部增強(qiáng)層上。在本文的實(shí)施方案中，所述方法可以進(jìn)一步包括向所述自立的外部增強(qiáng)層施加真空以將其保持在原位(hold it in place)。在本文的實(shí)施方案中，所述方法可以進(jìn)一步包括在沉積所述膜溶液和/或干燥所述增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)之前干燥所述催化劑層。在本文的實(shí)施方案中，所述方法可以進(jìn)一步包括同時(shí)沉積所述催化劑溶液和所述膜溶液。在本文的實(shí)施方案中，所述方法可以進(jìn)一步包括將膜增強(qiáng)層施加到所述膜溶液上。
[0041]所述增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)通常包括自立的外部增強(qiáng)層、位于所述自立的外部增強(qiáng)層上的催化劑層和位于所述催化劑層上的膜層。在本文的實(shí)施方案中，所述增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步包括位于所述自立的外部增強(qiáng)層和所述催化劑層之間的墊片框。
[0042]本文還記述了制造增強(qiáng)的電極組件的方法。所述方法通常包括將第一催化劑溶液沉積到第一自立的外部增強(qiáng)層的至少一部分上以在所述第一自立的外部增強(qiáng)層上形成第一催化劑層，將第一膜溶液沉積到所述第一催化劑層的至少一部分上以在所述第一催化劑層上形成第一膜層，其中所述第一自立的外部增強(qiáng)層、所述第一催化劑層和所述第一膜層一起構(gòu)成第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)，將第二催化劑溶液沉積到第二自立的外部增強(qiáng)層的至少一部分上以形成第二催化劑層，其中所述第二自立的外部增強(qiáng)層和所述第二催化劑層一起構(gòu)成第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)，以及連接所述第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)和所述第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)以形成膜電極組件，其中連接是這樣的:所述第一膜層位于所述第一催化劑層和所述第二催化劑層之間?？梢赃B續(xù)或同時(shí)沉積所述第一催化劑溶液和所述膜溶液。
[0043]在本文的實(shí)施方案中，所述方法可以進(jìn)一步包括將第二膜溶液沉積到所述第二催化劑層的至少一部分上以在所述第二催化劑層上形成第二膜層，其中所述第二自立的外部增強(qiáng)層、所述第二催化劑層和所述第二膜層一起構(gòu)成第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)，以及連接所述第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)和所述第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)以形成膜電極組件，其中連接是這樣的:所述第一膜層和所述第二膜層位于所述第一催化劑層和所述第二催化劑層之間?？梢韵嗬^或同時(shí)沉積所述第二催化劑溶液和所述第二膜溶液。
[0044]在本文的實(shí)施方案中，所述方法可以進(jìn)一步包括在沉積所述第一催化劑溶液之前將第一墊片框放在所述第一自立的外部增強(qiáng)層上，和/或在沉積所述第二催化劑溶液之前將第二墊片框放在所述第二自立的外部增強(qiáng)層上。在本文的實(shí)施方案中，所述方法可以進(jìn)一步包括向所述第一和/或第二自立的外部增強(qiáng)層施加真空以將其保持在原位?？梢栽诔练e所述催化劑溶液之前和/或在沉積所述膜溶液之前施加真空。在本文的實(shí)施方案中，所述方法可以進(jìn)一步包括在沉積所述膜溶液、干燥所述第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)、和/或干燥所述第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)之前干燥所述第一催化劑層。在本文的實(shí)施方案中，所述方法可以進(jìn)一步包括將子墊圈材料放在所述第一膜層和所述第二催化劑層之間。在本文的實(shí)施方案中，所述方法可以進(jìn)一步包括將子墊圈材料放在所述第一膜層和所述第二膜層之間。
[0045]所述增強(qiáng)的電極組件通?？梢园ǖ谝蛔粤⒌耐獠吭鰪?qiáng)層、位于所述第一自立的外部增強(qiáng)層上的第一催化劑層、位于所述第一催化劑層上的第一膜層、位于所述第一膜層上的第二催化劑層和位于所述第二催化劑層上的第二自立的外部增強(qiáng)層。在本文的實(shí)施方案中，可以在所述第一膜層和所述第二催化劑層之間放置第二膜層。在本文的實(shí)施方案中，可以在所述第一自立的外部增強(qiáng)層和所述第一催化劑層之間放置第一墊片框。在本文的實(shí)施方案中，可以在所述第二自立的外部增強(qiáng)層和所述第二催化劑層之間放置第二墊片框。在本文的實(shí)施方案中，可以在所述第一膜層和所述第二催化劑層之間放置子墊圈。在本文的實(shí)施方案中，可以在所述第一膜層和所述第二膜層之間放置子墊圈。
[0046]參照?qǐng)D1A和1B，描繪了制造增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)的示例性方法(100)。參照?qǐng)D1A，在自立的外部增強(qiáng)層(105)的表面上，沉積了催化劑溶液以形成催化劑層(110)并沉積了膜溶液以形成膜層(115)。所述增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)包括自立的外部增強(qiáng)層、位于所述自立的外部增強(qiáng)層上的催化劑層和位于所述催化劑層上的膜層。
[0047]可以將任選的膜增強(qiáng)層(未描繪)施加到所述膜層上。適合的膜增強(qiáng)層的例子可以包括，但不限于，聚合物膜、金屬絲網(wǎng)、織物或其組合。適合的聚合物膜的例子可以包括聚四氟乙烯(PTFE)、膨體聚四氟乙烯(ePTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)或氟化乙丙烯(FEP)。
[0048]參照?qǐng)D1B，在自立的外部增強(qiáng)層(105)的表面上，沉積了催化劑溶液以形成催化劑層(110)。所述增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)包含自立的外部增強(qiáng)層和位于所述自立的外部增強(qiáng)層上的催化劑層。
[0049]在本文的實(shí)施方案中，可以使用狹縫模具涂布工藝、斜板涂布(slide coating)工藝、幕涂工藝或其組合來施加所述催化劑和膜溶液。在一些實(shí)施方案中，可以使用墊片框涂布技術(shù)來沉積所述催化劑層和膜層。使用了具有期望的厚度和材料組成的墊片框。所述墊片框涂布技術(shù)可以允許實(shí)現(xiàn)更均勻的涂層厚度。涂層厚度由墊片的厚度控制。所述墊片框可以由尺寸穩(wěn)定并且不會(huì)與在使用的催化劑和膜溶液中出現(xiàn)的任何組分相互作用的材料制成?？梢杂脕硇纬伤鰤|片框的適合的材料的例子包括，但不限于，聚酰亞胺膜(如，DuPont Kapton?)、聚萘二甲酸乙二醇酯膜(PEN)(如，DuPont Teonex?)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、不銹鋼和其類似物。用來沉積所述催化劑層和膜層的墊片框的材料和厚度可以相同或不同，而墊片框材料和厚度的選擇可以取決于每個(gè)沉積層的期望的厚度。
[0050]在這種技術(shù)中，將具有期望厚度的墊片框放在自立的外部增強(qiáng)層上。將所述自立的外部增強(qiáng)層和所述框放在平坦、多孔的表面上。在一些實(shí)施方案中，所述平坦多孔表面可以為多孔板，例如，石墨板。向所述平坦、多孔表面的對(duì)側(cè)施加真空，使得所述自立的外部增強(qiáng)層由于吸力而被保持在原位。然而，應(yīng)當(dāng)理解，可以使用保持所述自立的外部增強(qiáng)層和/或所述墊片框在原位的其他方法?？梢允紫葘⑺鐾繉硬牧戏旁趬|片膜上而不與所述自立的外部增強(qiáng)層接觸?？梢允褂盟⒆?斜板條來滑動(dòng)所述涂層材料，使得整個(gè)自立的外部增強(qiáng)層被覆蓋。可以由所述墊片膜的厚度和/或所述催化劑溶液的組成來決定每道滑動(dòng)之后形成的涂層厚度(例如，所述催化劑溶液中的固體材料的量可能導(dǎo)致每道滑動(dòng)的涂層厚度增加)。然后，可以在約100-約1000 °F、約200-約800 °F、約300-約500 °F的溫度下干燥所述催化劑涂覆的自立的外部增強(qiáng)層。干燥可以持續(xù)約5分鐘-約5小時(shí)、約10分鐘-約I小時(shí)、約15-約30分鐘、約15分鐘-約20分鐘?？梢愿鶕?jù)需要重復(fù)所述涂覆過程以獲得期望的催化劑厚度?？梢詫㈩~外的涂層材料放在所述墊片膜上，并可以使用刷子/斜板條來滑動(dòng)所述涂層材料以覆蓋任何已存在的催化劑層。使用該方法，所述涂覆的催化劑層可以具有無可見龜裂的光滑表面。此外，所述催化劑涂覆的自立的外部增強(qiáng)層可以幾乎沒有或沒有可見的褶皺或在所述涂覆過程中可能發(fā)生的其他破壞。
[0051]也可以使用墊片框涂布技術(shù)來沉積所述膜層。在這種技術(shù)中，將具有期望厚度的墊片框放在所述催化劑層上。將涂覆有所述催化劑層的自立的外部增強(qiáng)層和所述框架放在平坦、多孔表面上。在一些實(shí)施方案中，所述平坦多孔表面可以為多孔板，例如，石墨板。向所述平坦、多孔表面的對(duì)側(cè)施加真空，使得形成在其上的具有所述催化劑層的自立的外部增強(qiáng)層由于吸力而被保持在原位?？梢允紫葘⑺鐾繉硬牧戏旁趬|片膜上而不與所述催化劑層接觸?？梢允褂盟⒆?斜板條來滑動(dòng)所述涂層材料，使得所述整個(gè)催化劑層被覆蓋?？梢杂伤鰤|片膜的厚度和/或所述膜溶液的組成來決定每道滑動(dòng)之后形成的涂層厚度(例如，所述膜溶液中的固體材料的量可能導(dǎo)致每道滑動(dòng)的涂層厚度增加)。然后，可以在約100-約1000 °F、約200-約800 °F、約300-約500 0F的溫度下干燥所述膜和催化劑涂覆的自立的外部增強(qiáng)層。干燥可以持續(xù)約5分鐘-約5小時(shí)、約10分鐘-約I小時(shí)、約15-約30分鐘、約15分鐘-約20分鐘?？梢愿鶕?jù)需要重復(fù)所述涂覆過程以獲得期望的膜厚度?？梢詫㈩~外的涂層材料放在所述墊片膜上，并可以使用刷子/斜板條來滑動(dòng)所述涂層材料以覆蓋任何已存在的膜層。
[0052]在本文的實(shí)施方案中，適合的自立的外部增強(qiáng)層的例子可以包括膨體聚四氟乙烯(ePTFE)、金屬絲網(wǎng)、織物和對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的其他適合的材料，包括，例如，有機(jī)和/或無機(jī)纖維和粉末。在一些實(shí)施例中，可以使用可從W.L.Gore & Associate(Gore), Maryland,以名稱Carbel? MP30Z購得的自立的外部增強(qiáng)層。所述自立的外部增強(qiáng)層材料通常可以包括導(dǎo)電材料(例如，碳粉)和其他支撐材料(例如，疏水性氟聚合物)。與通常發(fā)現(xiàn)的連接到擴(kuò)散介質(zhì)基材的微孔層(“MPL”)不同，本文使用的自立的外部增強(qiáng)層穩(wěn)定地結(jié)合在一起而不使用擴(kuò)散介質(zhì)(或其他類型的)基材。
[0053]在本文的實(shí)施方案中，所述膜溶液可以包含一種或多種聚合物電解質(zhì)離聚物?？捎糜诒景l(fā)明的聚合物電解質(zhì)離聚物可以是高度氟化的和，在一些實(shí)施例中，全氟化的，但也可以是部分氟化的或非氟化的?？捎糜诒景l(fā)明的氟化聚合物電解質(zhì)離聚物的例子可以包括四氟乙烯與一種或多種氟化的酸官能共聚單體的共聚物、四氟乙烯-氟乙烯醚共聚物、全氟磺酸(PFSA)、磺化全氟環(huán)丁烷(S-PFCB)或其混合物。所述離聚物材料以液體組合物使用，即，溶解或分散在適合的溶劑中?？梢砸愿鞣N濃度的水溶液的形式獲得許多含氟離聚物材料。所述溶液的離聚物含量可以為所述溶液的約5 wt%-約30wt%。當(dāng)然，也可以使用以水性分散體形式提供的離聚物材料。這種分散體可以包括,例如，由DuPont出售的Naf1n?PFSA聚合物分散體?？梢允褂玫臒o氟離聚物材料的例子可以包括烴類聚合物、磺化聚醚酮、磺化芳基酮、酸摻雜的聚苯并咪唑、磺化聚砜和磺化聚苯乙烯。
[0054]所述膜溶液可以進(jìn)一步包含一種或多種溶劑。適合的溶劑的例子包括，但不限于，水、異丙醇、甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、仲丁醇、叔丁醇、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-輕基-3-甲基-2- 丁酮、4-輕基-4-甲基-2-戊酮(雙丙酮醇)、二甲基乙酰胺及其混合物。
[0055]當(dāng)經(jīng)受在典型的PEM燃料電池中出現(xiàn)的化學(xué)環(huán)境時(shí)，離子交換膜會(huì)隨時(shí)間而降解。離子導(dǎo)電聚合物膜可以降解的一種機(jī)制為通過在開路電壓(OCV)和在高溫的干操作條件下的氟損失(即，氟化物排放)?？赡苡兄陔x子導(dǎo)電聚合物膜的降解的另一種機(jī)制為通過與活性物類，如過氧化氫和羥基自由基，反應(yīng)。為了降低膜降解，可能要求使用化學(xué)降解緩和劑。抑制聚合物降解的適合的化學(xué)降解緩和劑可以包括含鈰化合物、含錳化合物和含卟啉化合物。在一個(gè)實(shí)施例中，所述緩和劑包括鉬納米顆粒、CeO2或胞02。其他適合的例子可以包括以下金屬離子中的任一種或其組合的可溶性磺酸鹽(S03_2)、硫酸鹽(S04_2)、碳酸鹽(CO3-2)或硝酸鹽(NO3-2):Co2+、Co3+、Fe2+、Fe3+、Mg1+、Mg2+、Mn1+、Mn2+、Mn3+、Cl Mn3+、HO Mn' Cu1+、Cu2+、Ni1+、Ni2+、Pd1+、Pd2+、Ru1+、Ru2+、Ru4+、Vn4\ Zn1+、Zn2+、Al' B、Si(OH)22+' Al3+、HOIn3+、Pb2+、Ag+、Sn2+、Sn4+、Ti3+、Ti4+、VO+、Pt2+、Ce3+或 Ce4+。
[0056]在一些實(shí)施方案中，可以在干燥步驟之后對(duì)所述膜進(jìn)行退火以幫助獲得必要的耐久性。退火可以包括加熱所述膜至高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度，然后緩慢冷卻它以形成呈能夠賦予所述膜剛度和強(qiáng)度的排列的晶疇。所述膜的干厚度可以為約I微米-約300微米。
[0057]在本文的實(shí)施方案中，所述催化劑溶液可用來形成陰極層或陽極層。所述催化劑溶液可以包含溶劑、離聚物和催化劑?？梢酝ㄟ^將催化劑和研磨介質(zhì)與溶劑和離聚物一起添加到瓶中以形成催化劑溶液來制備所述催化劑溶液。然后，可以通過，例如，將裝有所述催化劑溶液的瓶放在球磨機(jī)上并在研磨介質(zhì)的存在下旋轉(zhuǎn)該瓶，來研磨所述催化劑溶液。
[0058]在本發(fā)明的實(shí)施中可以使用任何適合的催化劑。在一些實(shí)施例中，所述催化劑可以為涂覆到導(dǎo)電載體表面上的催化劑金屬。通常，使用碳負(fù)載的催化劑顆粒。碳負(fù)載的催化劑顆粒為約50-90wt%的碳和約10-50wt%的催化劑金屬。所述催化劑可以為具有催化活性的微細(xì)的貴金屬。適合的貴金屬包括，但不限于，鉬族金屬，如鉬、鈀、銥、銠、釕及它們的合金，例如，鉬鈷合金。
[0059]所述溶劑可以包括異丙醇、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(雙丙酮醇)、二甲基二酰胺及其混合物。所述溶劑可以以所述催化劑溶液的約1%_約90wt%，在一些實(shí)施例中約5%-約80wt%，和在進(jìn)一步的實(shí)施例中約10%-約50wt%的量存在于所述催化劑溶液中。
[0060]用于所述催化劑溶液的離聚物材料可以與用于所述膜溶液的離聚物材料相同或不同。適合的離聚物材料包括，但不限于，四氟乙烯與一種或多種氟化的酸官能共聚單體的共聚物、四氟乙烯-氟乙烯醚共聚物、全氟磺酸(PFSA)、磺化全氟環(huán)丁烷(S-PFCB)、烴類聚合物、磺化聚醚酮、磺化芳基酮、酸摻雜的聚苯并咪唑、磺化聚砜、磺化聚苯乙烯及其混合物。通常，所述催化劑溶液中的離聚物材料應(yīng)當(dāng)以溶液組合物使用，即，溶解或分散在適合的溶劑中?？梢砸愿鞣N濃度的水溶液的形式獲得許多含氟離聚物材料。所述溶液的離聚物含量可以為所述溶液的約5 wt %-約30wt%。當(dāng)然，也可以使用以水性分散體形式提供的離聚物材料。這種分散體可以包括，例如，由DuPont出售的Naf1n? PFSA聚合物分散體。
[0061]其他添加劑，如粘合劑、共溶劑、抗裂劑(crack reducing agent)、潤濕劑、消泡齊U、表面活性劑、防沉劑、防腐齊U、成孔劑、勻涂齊U、穩(wěn)定劑、PH調(diào)節(jié)劑，研磨助劑和其他物質(zhì)，可根據(jù)需要用于所述催化劑溶液中以改進(jìn)可涂性。此外，可以添加堿性添加劑，如氫氧化鈉(NaOH)或氫氧化鉀(KOH)來緩沖所述離聚物的酸性基團(tuán)。
[0062]在一些實(shí)施方案中，所述催化劑溶液進(jìn)一步包含抗裂劑。由所述催化劑溶液制成的電極可以在所述表面上形成裂縫網(wǎng)，其被稱為“龜裂”。據(jù)信“龜裂”是由于當(dāng)濕膜干燥和固體材料開始合并時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力而產(chǎn)生的。不希望受理論限制，所述裂縫可以由于由濕膜中的局部厚度差異引起的應(yīng)力梯度而形成。所述裂縫也可以由于電極的固有缺陷而在干燥之后形成。所述電極由被所述離聚物(其是一種相對(duì)較弱的粘合劑)結(jié)合的碳載體的多孔基質(zhì)形成。結(jié)果，所述碳載體的基質(zhì)為所述離聚物提供極小的增強(qiáng)，而產(chǎn)生的基質(zhì)可能無法承受在干燥所述催化劑溶液過程中的巨大應(yīng)力，導(dǎo)致在所述燃料電池工作過程中有更大機(jī)會(huì)形成裂縫。如果所述膜的抗張強(qiáng)度足以克服引起的干燥應(yīng)力，龜裂可以形成來緩解所述膜的應(yīng)力。由此，可以將抗裂劑添加到催化劑溶液中來防止龜裂形成。
[0063]適合的抗裂劑的例子可以包括，但不限于，添加的相對(duì)較高沸點(diǎn)的溶劑，例如，雙丙酮醇以及碳纖維、納米黏土小片(可從Southern Clay Product of Gonzales, TX獲得)，或低當(dāng)量離聚物和高當(dāng)量離聚物的混合物，或其組合。雙丙酮醇可以以陰極墨水的至多約30wt%的量存在。所述碳纖維可以具有約10-20微米的長度和0.15ΜΠ1的直徑。所述碳纖維可以以約1:6 (w/w)的纖維:催化劑之比存在。此外，如上公開的，所述催化劑溶液包含離聚物材料。低當(dāng)量(小于約800EW)離聚物或低當(dāng)量離聚物與高當(dāng)量離聚物(大于約800EW)的混合物可以用來緩和龜裂的發(fā)生。在一些實(shí)施例中，所述離聚物材料可以為具有大于約850的高當(dāng)量的和小于約750的低當(dāng)量的離聚物的混合物。
[0064]參照?qǐng)D2A和2B，顯示了制造增強(qiáng)的膜電極組件(200)的示例性方法。參照?qǐng)D2A，在第一自立的外部增強(qiáng)層(205)的表面上，將第一催化劑溶液沉積到第一自立的外部增強(qiáng)層(205)的至少一部分上以形成第一催化劑層(210)。第一催化劑層(210)可以為陽極或陰極。在沉積第一膜溶液之前，可以任選地干燥第一催化劑層(210)。將第一膜溶液沉積到第一催化劑層(210)的至少一部分上以形成第一膜層(215)。可以將如本文記述的任選的膜增強(qiáng)層(未顯示)施加到第一膜層(215)。
[0065]在一些實(shí)施方案中，可以同時(shí)沉積所述第一催化劑溶液和所述第一膜溶液。發(fā)生同時(shí)沉積時(shí)，在沉積所述第一催化劑溶液和所述第一膜溶液之間的任選的干燥步驟將不會(huì)發(fā)生。第一自立的外部增強(qiáng)層(205)、第一催化劑層(210)和第一膜層(215) —起構(gòu)成第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(220)?？梢匀芜x地干燥第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(220)。
[0066]仍然參照?qǐng)D2A，在第二自立的外部增強(qiáng)層(225)的表面上，將第二催化劑溶液沉積到第二自立的外部增強(qiáng)層(225)的至少一部分上以形成第二催化劑層(230)。第二催化劑層(230)可以為陽極或陰極。所述第一催化劑層為陰極時(shí)，則所述第二催化劑層為陽極，反之亦然。在沉積第二膜溶液之前，可以任選地干燥第二催化劑層(230)。將第二膜溶液沉積到第二催化劑層(230)的表面的至少一部分上以形成第二膜層(235)?？梢詫⑷绫疚挠浭龅娜芜x的膜增強(qiáng)層(未顯示)施加到第二膜層(235)。
[0067]在一些實(shí)施方案中，同時(shí)沉積所述第二催化劑溶液和所述第二膜溶液。發(fā)生同時(shí)沉積時(shí)，在沉積所述第二催化劑溶液和所述第二膜溶液之間的任選的干燥步驟將不會(huì)發(fā)生。第二自立的外部增強(qiáng)層(225)、第二催化劑層(230)和第二膜層(235) —起構(gòu)成第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(240)?？梢匀芜x地干燥第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(240)。
[0068]仍然參照?qǐng)D2A，連接第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(220)和第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(240)以形成增強(qiáng)的膜電極組件(200)。在本文的實(shí)施方案中，將第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(220)和第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(240)熱壓或?qū)訅旱揭黄稹?br> [0069]參照?qǐng)D2B，在第一自立的外部增強(qiáng)層(205)的表面上，將第一催化劑溶液沉積到第一自立的外部增強(qiáng)層(205)的至少一部分上以形成第一催化劑層(210)。第一催化劑層(210)可以為陽極或陰極。在沉積第一膜層溶液之前可以任選地干燥第一催化劑層(210)。將第一膜溶液沉積到第一催化劑層(210)的表面的至少一部分上以形成第一膜層(215)。在一些實(shí)施方案中，同時(shí)沉積所述第一催化劑溶液和所述第一膜溶液。發(fā)生同時(shí)沉積時(shí)，在沉積所述第一催化劑溶液和所述第一膜溶液之間的任選的干燥步驟將不會(huì)發(fā)生。第一自立的外部增強(qiáng)層(205)、第一催化劑層(210)和第一膜層(215) —起構(gòu)成第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(220)?？梢匀芜x地干燥第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(220)。
[0070]仍然參照?qǐng)D2B，在第二自立的外部增強(qiáng)層(225)的表面上，將第二催化劑溶液沉積到第二自立的外部增強(qiáng)層(225)的至少一部分上以形成第二催化劑層(230)。第二催化劑層(230)可以為陽極或陰極。當(dāng)所述第一催化劑層為陰極時(shí)，則所述第二催化劑層為陽極，反之亦然。第二自立的外部增強(qiáng)層(225 )和第二催化劑層(230 )一起構(gòu)成第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(240)。可以任選地干燥第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(240)。
[0071]仍然參照?qǐng)D2B，連接第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(220)和第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(240)以形成增強(qiáng)的膜電極組件(200)。連接所述兩個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)，使得每個(gè)自立的外部增強(qiáng)層在外面。由此，所述催化劑層和所述一個(gè)或多個(gè)膜層位于所述第一和第二自立的外部增強(qiáng)層之間?？梢酝ㄟ^熱壓或?qū)訅簩⒌谝辉鰪?qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(220)和第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(240)連接到一起。
[0072]在本文的實(shí)施方案中，可以使用約50-約500ps1、約75-約400 ps1、約100-約300psi和/或約150-約250 psi的壓力來連接第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(220)和第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(240)。在一些實(shí)施方案中，可以在約100 °F -約1000 °F、約150 °F -約750 °F、約200 0F -約500 °?和/或約250 0F -約350 0F的溫度下連接第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(220)和第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(240)。當(dāng)然，也可以使用適用于連接復(fù)合結(jié)構(gòu)以形成增強(qiáng)的膜電極組件的其他方法。
[0073]在本文的實(shí)施方案中，可以任選地使用基材(如，氣體擴(kuò)散介質(zhì))代替自立的外部增強(qiáng)層中的一個(gè)，使得所述MEA結(jié)構(gòu)在一個(gè)外側(cè)上具有外部增強(qiáng)層而在另一外側(cè)上具有基材。所述催化劑層和所述一個(gè)或多個(gè)膜層位于所述自立的外部增強(qiáng)層和所述基材之間。
[0074]不受理論限制，據(jù)信根據(jù)本文記述的發(fā)明的方法形成的膜電極組件導(dǎo)致位于所述陽極和陰極兩者上的自立的增強(qiáng)層，其可以為所述聚合物電解質(zhì)膜提供良好的支撐。此外，據(jù)信這種支撐可以減少在燃料電池工作過程中可能發(fā)生的屈曲，并由此，改進(jìn)燃料電池的耐久性。
[0075]在本文的實(shí)施方案中，在連接之前，可以任選地將子墊圈放在第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(220)和第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)(240)之間。所述子墊圈的框架的形狀和大小，以及形成在其中的有效區(qū)(active area)窗口的形狀和大小可以改變。在一些實(shí)施方案中，所述子墊圈的有效區(qū)窗口大小可以比所述第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)和/或第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)的有效區(qū)小。在一些實(shí)施方案中，可以改變所述子墊圈的框架的大小來匹配所述第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)和所述第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或兩個(gè)的尺寸。所述子墊圈可以包括具有電絕緣性能的硬膜。所述子墊圈可以為單層片或膜或多層片或膜?？梢允褂脡嚎s和粘合劑中的至少一種將子墊圈結(jié)合到第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)或第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)的膜層。
[0076]然后，可以將產(chǎn)生的增強(qiáng)的膜電極組件放在一對(duì)擴(kuò)散介質(zhì)之間連同其他零件一起形成單個(gè)燃料電池，所述其他零件可以包括氣體流場(chǎng)板、集流器和端板。
[0077]可以通過以下非限制性實(shí)施例進(jìn)一步闡述本文記述的實(shí)施方案。
[0078]對(duì)比實(shí)施例
使用與聚合物電解質(zhì)膜(“ PEM”)結(jié)合在一起的兩片催化劑涂覆的擴(kuò)散介質(zhì)制備了參照催化劑涂覆的擴(kuò)散介質(zhì)(“CCDM”)膜電極組件。為了形成所述催化劑涂覆的擴(kuò)散介質(zhì)，使用具有微孔層(MPL)的碳紙基材作為氣體擴(kuò)散介質(zhì)。將包含負(fù)載量為0.4mg Pt/cm2的Pt/Vulcan催化劑的陰極催化劑溶液涂覆在第一氣體擴(kuò)散介質(zhì)上以形成陰極涂覆的擴(kuò)散介質(zhì)。干燥所述陰極涂覆的擴(kuò)散介質(zhì)。將包含負(fù)載量為0.05mg Pt/cm2的Pt/Vulcan催化劑的陽極催化劑溶液涂覆到第二氣體擴(kuò)散介質(zhì)上以形成陽極涂覆的擴(kuò)散介質(zhì)。干燥所述陽極涂覆的擴(kuò)散介質(zhì)。在干燥之后，通過熱壓方法在295 T的溫度和200 psi的壓縮壓力下將所述兩片催化劑涂覆的擴(kuò)散介質(zhì)結(jié)合到PEM (由DE2020離聚物溶液涂覆的12 μ m的Naf1n?膜)的兩側(cè)上以形成CCDM。
[0079]實(shí)施例1
將包含負(fù)載量為0.4mg Pt/cm2的Pt/Vulcan催化劑的陰極催化劑溶液涂覆到第一自立的外部增強(qiáng)層(來自 W.L.Gore & Associate (Gore), Maryland 的 Carbel? MP30Z)上以形成陰極催化劑層。將DE2020溶液涂覆到所述催化劑層上以形成6 μ m厚的Naf1n?膜層。所述第一自立的外部增強(qiáng)層、所述陰極和所述膜一起構(gòu)成增強(qiáng)的陰極復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0080]將包含負(fù)載量為0.05mg Pt/cm2的Pt/Vulcan催化劑的陽極催化劑溶液涂覆到第二自立的外部增強(qiáng)層(來自 W.L.Gore & Associate (Gore), Maryland 的 Carbel? MP30Z)上以形成陽極催化劑層。將DE2020溶液涂覆到所述催化劑層上以形成6 μ m厚的Naf1n?膜層。所述第二自立的外部增強(qiáng)層、所述陽極和所述膜一起構(gòu)成增強(qiáng)的陽極復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0081]將所述增強(qiáng)的陽極復(fù)合結(jié)構(gòu)結(jié)合到所述增強(qiáng)的陰極復(fù)合結(jié)構(gòu)，使得所述膜層被連接并被放置在所述陽極和陰極層之間。在連接之前，將子墊圈插在所述兩個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)之間，和具體地，插在所述增強(qiáng)的陽極復(fù)合結(jié)構(gòu)的膜層和所述增強(qiáng)的陰極復(fù)合結(jié)構(gòu)的膜層之間。通過使用約150-200 psi的壓縮壓力和約280-350 °F的溫度將所述增強(qiáng)的陽極復(fù)合結(jié)構(gòu)、所述增強(qiáng)的陰極復(fù)合結(jié)構(gòu)和所述子墊圈熱壓在一起來完成連接以形成增強(qiáng)的膜電極組件。所述增強(qiáng)的膜電極組件在陽極和陰極層之間具有的膜厚度，陽極和陰極層各自附著到外部增強(qiáng)層上。
[0082]拍攝了根據(jù)實(shí)施例1中記述的方法形成的增強(qiáng)的膜電極組件(300)的橫截面的掃描電子顯微(SEM)圖像。參照?qǐng)D3，顯示了包含第一外部增強(qiáng)層(305)、陰極層(310)、膜層(310)、陽極層(320)和第二增強(qiáng)層(325)的增強(qiáng)的膜電極組件(300)。
[0083]參照?qǐng)D4，在具有1.5/2.0化學(xué)計(jì)量、80°C電池溫度和85%的相對(duì)濕度(RH) a口的H2/空氣流的相同操作條件下測(cè)試了對(duì)比膜電極組件(對(duì)比實(shí)施例)和增強(qiáng)的MEA (實(shí)施例1)的燃料電池性能。測(cè)量了作為電流密度的函數(shù)的電池電壓(V電池)和高頻電阻(HFR)性能，并在圖4中顯示。如圖4所示，實(shí)施例1和所述對(duì)比實(shí)施例在V電池和HFR方面具有類似的性能。由此，實(shí)施例1表現(xiàn)類似于對(duì)比實(shí)施例，并且在燃料電池工作過程中所述外部增強(qiáng)層不會(huì)增加電阻損耗。
[0084]參照?qǐng)D5，還在相同的操作條件下通過相對(duì)濕度(RH)循環(huán)測(cè)試了對(duì)比膜電極組件(對(duì)比實(shí)施例)和增強(qiáng)的MEA (實(shí)施例1)的燃料電池耐久性。用具有2_的臺(tái)和2_的直槽的流場(chǎng)的50cm2的電池構(gòu)建電池。在2min的150% RH H2/空氣和2min的0% RH H2空氣流的相對(duì)濕度循環(huán)中進(jìn)行測(cè)試。在對(duì)流中于80°C的電池溫度、O kPa的計(jì)量壓力和20 SLPM的陽極和陰極化學(xué)計(jì)量下進(jìn)行測(cè)試。在具有3psi的氣壓差的空氣/空氣下進(jìn)行診斷以檢查物理交叉泄漏(故障=10 seem)。如圖5所示，在RH循環(huán)測(cè)試過程中在11000個(gè)循環(huán)內(nèi)所述對(duì)比膜電極組件(對(duì)比實(shí)施例)發(fā)生故障，產(chǎn)生超過1sccm氣體的泄漏。所述增強(qiáng)的MEA(實(shí)施例1)通過了具有超過20000個(gè)循環(huán)的RH循環(huán)測(cè)試而沒有泄漏。因此，增強(qiáng)的MEA(實(shí)施例I)具有超過所述對(duì)比膜電極組件(對(duì)比實(shí)施例)的改進(jìn)的耐久性。
[0085]已經(jīng)詳細(xì)地并通過參照其具體的實(shí)施方案記述了本發(fā)明，顯然在不偏離所附權(quán)利要求書中定義的本發(fā)明的范圍的情況下存在改變和變化。更具體地，雖然本文已經(jīng)確定本發(fā)明的一些方面是優(yōu)選的或特別有利的，但本發(fā)明并不意在一定局限于本發(fā)明的這些優(yōu)選的方面。
【權(quán)利要求】
1.制造增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，包括: 提供自立的外部增強(qiáng)層； 將催化劑溶液沉積到所述自立的外部增強(qiáng)層的至少一部分上以形成催化劑層；和 將膜溶液沉積到所述催化劑層的至少一部分上以形成增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括在沉積所述催化劑溶液之前，將墊片框放在所述自立的外部增強(qiáng)層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括在沉積所述膜溶液之前，將墊片框放在所述催化劑層上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括在沉積所述膜溶液之前，干燥所述催化劑層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中同時(shí)沉積所述催化劑溶液和所述膜溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括向所述自立的外部增強(qiáng)層施加真空以將其保持在原位。
7.制造增強(qiáng)的膜電極組件的方法，所述方法包括: 將第一催化劑溶液沉積到第一自立的外部增強(qiáng)層的至少一部分上以在所述第一自立的外部增強(qiáng)層上形成第一催化劑層； 將第一膜溶液沉積到所述第一催化劑層的至少一部分上以在所述第一催化劑層上形成第一膜層，其中所述第一自立的外部增強(qiáng)層、所述第一催化劑層和所述第一膜層一起構(gòu)成第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)； 將第二催化劑溶液沉積到第二自立的外部增強(qiáng)層的至少一部分上以形成第二催化劑層，其中所述第二自立的外部增強(qiáng)層和所述第二催化劑層一起構(gòu)成第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)；和 連接所述第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)和所述第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)以形成膜電極組件，其中連接是這樣的:所述第一膜層位于所述第一催化劑層和所述第二催化劑層之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括將子墊圈材料放在所述第一膜層和所述第二催化劑層之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括: 將第二膜溶液沉積到所述第二催化劑層的至少一部分上以在所述第二催化劑層上形成第二膜層，其中所述第二自立的外部增強(qiáng)層、所述第二催化劑層和所述第二膜層一起構(gòu)成第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)；和 連接所述第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)和所述第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)以形成膜電極組件，其中連接是這樣的:所述第一膜層和所述第二膜層位于所述第一催化劑層和所述第二催化劑層之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括干燥所述第一增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)和干燥所述第二增強(qiáng)的催化劑復(fù)合結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H01M4/88GK104051742SQ201410094331
【公開日】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】R.蔣, M.迪奧瓜迪, S.C.穆斯, C.S.吉特爾曼, J.P.希利, B.M.霍塔林 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司