在低Pt负载量下减轻PEMFC电极龟裂制造技术

本发明专利技术涉及在低Pt负载量下减轻PEMFC电极龟裂。提供了一种电极墨组合物，其形成龟裂减少的燃料电池催化剂层。所述墨组合物包括溶剂、分散于溶剂中的含铂族金属催化剂组合物、分散于溶剂中的主聚合物、以及分散于溶剂中的次聚合物，所述主聚合物为离聚物，所述次聚合物通过非共价相互作用与主聚合物相互作用。

【技术实现步骤摘要】
在低Pt负载量下减轻PEMFC电极龟裂
在至少一个方面，本专利技术涉及具有改进的耐用性的燃料电池膜，并且特别涉及其中龟裂得以减轻的燃料电池膜。
技术介绍
质子交换燃料电池(PEFC)中的电极层通常涂覆有包括分散在炭黑载体上的Pt催化剂或Pt-合金催化剂、全氟磺酸离聚物(PFSA)和醇-水溶剂的墨。炭黑载体为催化剂提供用于反应物的气体传输，并将产物水供应到流动通道，而PFSA离聚物则提供向催化剂的质子传导，以及与多孔性炭网络的结合。但是，在涂覆的墨膜的溶剂干燥过程中会产生通过层的破裂，这会直接影响所制造的膜-电极组件(MEA)在运行燃料电池过程中的耐用性。作为一个实例，图1显示聚合物流动，以及所引起的厚度减小，所述厚度减小在湿度循环之后电极破裂处的25μm厚的膜中发生。中钞实业祝您新年旺旺旺一旦由于负极层与正极层之间的反应气体泄露而在隔膜中形成通过层的破裂便会发生电池故障。对于最佳气体传输电极层具有～70％v/v的高孔隙度，从而带来弱的断裂抗力。因此，经涂覆的墨膜在溶剂干燥过程中容易形成通过层的破裂。除了会由固结于炭黑的中孔容积内的溶剂毛细管压力产生均匀的拉伸应力之外，还会由于墨离聚物溶液不均匀地渗透到多孔性涂覆基体中而产生局部拉伸应力。当电极墨被直接涂覆到气体扩散介质上(CCDM或催化剂涂覆于扩散介质上)时两种应力通常都会存在，于是这便需要对脆的炭微观结构进行机械加固，以避免在溶剂干燥过程中形成破裂。因此，对通过减少电极龟裂改进燃料电池膜的方法存在需要。
技术实现思路
本专利技术通过提供一种电极墨组合物解决一个或多个现有技术问题，所述电极墨组合物会形成电极龟裂减少的燃料电池催化剂层。所述墨组合物包括溶剂、分散于溶剂中的含铂族金属催化剂组合物、溶液中的主离聚物以及溶液中的次聚合物，由此次聚合物通过非共价相互作用与主离聚物相互作用。在另一个实施例中，提供了包括由以上所述墨组合物形成的催化剂层的燃料电池。燃料电池包括负极催化剂层、正极催化剂层、置于负极催化剂层与正极催化剂层之间的质子传导膜、布置于负极催化剂层上的第一气体扩散层、布置于正极催化剂层上的第二气体扩散层，布置于第一气体扩散层上的负极流场板以及布置于第二气体扩散层上的正极流场板。在特性上，负极催化剂层和正极催化剂层中的至少一者包括含铂族金属催化剂组合物、主离聚物以及在溶液中通过非共价相互作用与主离聚物相互作用的次聚合物。在至少一个方面，提供了一种用来减少燃料电池中电极龟裂的方法。在这一点上，对离聚物溶液在电极墨中的胶凝点进行控制，以提供机械加固。胶凝点通过将主PFSA离聚物在溶液中与次PFSA离聚物或者也通过氢键或离子键提供强的链缔合的其它聚合物共混被促进。次离聚物或次聚合物会促进溶剂干燥过程中墨溶液的固结点或胶凝点。两种方案均显示会提供必要的对脆的炭微观结构的机械加固，以避免在CCDM电极制造过程中形成破裂。在一个方面，选择在溶液中具有显著的链膨胀和链扩展的次离聚物，然后将其与全氟磺酸共混，以通过其更易接触的磺酸位点的氢键(H-键)施加强的链缔合。在另一个方面，高分子量聚乙烯基-2-吡咯烷酮(PVP)聚合物与共混，以通过每种聚合物上阳离子铵与阴离子磺酸根位点之间的离子键驱使强的链缔合。附图说明图1提供显示湿度循环后电极破裂处的聚合物膜流动的扫描电子显微照片2。图2提供结合有龟裂减少的催化剂层的燃料电池的示意图。图3A、3B、3C和3D显示用于本专利技术中的商业聚合物的化学结构；A.SSCPFSA离聚物；B.MSCPFSA离聚物；C.LSCPFSA离聚物；D.PVP均聚物。图4绘制本征粘度对分子量的log-log依赖性的图表，其中在整个可商购的PFSA离聚物结构测量出一致的马克-豪温克指数。图5A绘制归一化的本征粘度对当量重量的依赖性的通用曲线，所述当量重量不依赖于磺酸盐单体的特定侧链结构。图5B绘制照接收时原样使用的离聚物的通用曲线，针对测量本征粘度对当量重量的依赖性，Mw会随着EW的降低而增加，所述当量重量不依赖于磺酸盐单体的特定侧链结构。图6绘制离聚物溶液干燥过程中的弹性模量增长(G’)的图表。流变仪在0.2Pa应力幅值、0.5Hz和100sec时间均值下使用60mm圆锥-平面几何形状(Ti，1°)。图7绘制离聚物溶液干燥过程中的Tanδ(或G”/G’)的图表。图8在溶剂干燥过程中用质子NMR跟踪溶液的醇-水组成。图9A和9B反射光显微照片显示在将主离聚物与PVP聚合物或SS700离聚物在电极墨溶液中共混之后在相同的干厚度(16μm)下CCDM电极破裂的显著减少。B.与2％PVP聚合物或25％SS700离聚物共混的具体实施方式现在将详细介绍目前本专利技术优选的组合物、实施例和方法，其构成目前专利技术人已知的实施本专利技术的最佳方式。附图并不必然是按比例绘制的。但应理解，所公开的实施例仅为本专利技术的示例，并且本专利技术可以以各种形式和可替代的形式来体现。因此，本文公开的具体信息不应被解释为限制性的，而仅仅是作为本专利技术任何方面的代表性基础和/或作为教导本领域技术人员以各种方式利用本专利技术的代表性基础。除了在各实例中，或者另外明确指出，本说明书中指示材料用量或反应条件和/或使用条件的所有数量应该被理解为在描述本专利技术的最宽范围时被词“约”修饰。通常优选在所述的数字界限内实践。同样地，除非明确地相反指出：百分比、“...的份数(partsof)”和比例的值以重量计；将一组或一类材料描述为针对与本专利技术相关的给定目的为合适的或优选的意味着所述组或类的成员的任意两种或更多种的混合物为同样适合的或优选的；对首字母缩写或其它缩略语的首次定义适用于同一缩略语所有随后在本文中的使用，并且在经过必要修改的情况下适用于初始定义的缩略语一般表述变体；并且，除非明确地相反指出，特性测量通过与之前或之后针对相同特性所提及的技术同样的技术确定。还应理解，本专利技术并不局限于以下所述的特定实施例和方法，这是由于特定的组分和/或条件当然可能会有所变化。此外，本文所用术语仅用于描述本专利技术的特定实施例的目的，并非旨在以任何方式进行限制。还必须注意，如在说明书和所附权利要求书中所使用，单数形式“一个(a或an)”、“一种(a或an)”、以及“所述(the)”包含复数对象，除非上下文清楚地另外指出。例如，以单数形式提及一种组分旨在包含多种组分。术语“包含(comprising)”与“包括(including)”、“具有(having)”、“含有(containing)”、或“其特征在于(characterizedby)”同义。这些术语都是包含性的和开放式的，并不排除另外的未陈述的元素或方法步骤。短语“由…组成”排除权利要求中未具体列出的任何元素、步骤、或成分。当该短语出现在权利要求项的条款中而不是紧跟在之后时，它仅对该条款中的元素进行限制；整体上权利要求并不排除其它元素。短语“基本上由…组成”将权利要求的范围限制为所具体列出的物质或步骤，以及不会实质影响所要求保护的主题的基本特征和新颖性特征的那些。术语“包含(comprising)”、“由…组成(consistingof)”、以及“基本上由…组成(consistingessentiallyof)”可互换使用。在使用这三个术语之一的情况下，本专利技术公开和要求保护的主题本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电极墨组合物，其包含：溶剂；含铂族金属催化剂组合物，其分散于所述溶剂中；主聚合物，其分散于所述溶剂中，所述主聚合物为离聚物；以及次聚合物，其分散于所述溶剂中，所述次聚合物通过非共价相互作用与所述主聚合物相互作用。

【技术特征摘要】
2017.03.02 US 15/4476671.一种电极墨组合物，其包含：溶剂；含铂族金属催化剂组合物，其分散于所述溶剂中；主聚合物，其分散于所述溶剂中，所述主聚合物为离聚物；以及次聚合物，其分散于所述溶剂中，所述次聚合物通过非共价相互作用与所述主聚合物相互作用。2.根据权利要求1所述的电极墨组合物，其中所述主聚合物通过式I或式II描述：其中：n为1到10；m为1、2或3；o为约30到800；并且p为1、2、或3。3.根据权利要求2所述的电极墨组合物，其中所述非共价相互作用为氢键。4.根据权利要求3所述的电极墨组合物，其中所述次聚合物通过式III描述：其中：n为1到10；并且m为1、2或3。5.根据权利要求3所述的电极墨组合物，其中所述主聚合物为具有850到1050g/mol的当量重量和250到500kDa的重均分子量的长侧链聚合物，并且所述次聚合物为具有500到850g/mol的当量重量和300到2000kDa的重均分子量的短侧链聚合物、或者具有550到850g/mol的当量重量和500到1500kDa的重均分子量的长侧链聚合物。6.据权利要求1所述的电极墨组合物，其中所述非共价相互作用通过离子键产生。7.根据权利要求6所述的电极墨组合物，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·J·克斯特纳，S·P·库马拉古鲁，I·A·科泽诺瓦，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US