具有用于捕集催化剂的层的膜电极组件及具有该组件的燃料电池制造技术

本发明专利技术公开了一种用于燃料电池的膜电极组件（ＭＥＡ）以及包括该组件的燃料电池，其中，所述膜电极组件具有设置在催化剂层的面向聚合物电解质膜的相对面处以防止催化剂损失的多孔膜（催化剂捕集层）。该膜电极组件具有抑制因如甲醇的液体成分引起的催化剂损失的作用，从而改进燃料电池的工作效率。特别是，该膜电极组件具有在长期工作期间使因催化剂损失引起的燃料电池的性能降低最小化的作用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种具有催化剂捕集层(catalyst trapping layer)的膜电 极组件以及包括该组件的燃料电池，且更具体而言，涉及一种具有催 化剂捕集层的膜电极组件，所述催化剂捕集层由多孔膜形成并且设置 在催化剂层的面向聚合物电解质膜的相对面处以防止催化剂损失，以 及包括该组件的燃料电池，特别是直接曱醇燃料电池。
技术介绍
移动装置近来的发展需要具有较高输出和电容量的电源。通常， 已经使用可充电和》文电的锂二次电池组作为这种电源。然而，该锂二 次电池组在呈现充分且长期具有相对大的电容量的电子设备性能方面 存在一些问题。具体地，在制造大电容量的锂二次电池组的时候，由 于组成锂二次电池组的材料的特性，锂二次电池组的制造成本非常昂 贵，锂二次电池组的安全性很低，并且锂二次电池组需要花费很长时 间充电。为此原因，对满足上述条件同时克服了锂二次电池组的限制的新 动力产生系统的开发正在积极地进行中。其中包括能够长期高效率提 供动力的燃料电池。该燃料电池为通过电化学反应把如氢和曱醇的燃料变成水而产生 电的电池组。作为可以克服锂二次电池组的问题的环境友好的能源资 源，该燃料电池已备受关注。该燃料电池的典型实例为使用气体燃料的氢燃料电池和使用液体燃料的直接曱醇燃料电池，对其正在进行大 量研究并且有些正处于商品化阶段。直接曱醇燃料电池为利用曱醇与氧之间的反应的电池组。具体地， 在直接曱醇燃料电池的燃料电极分解曱醇以产生电子和质子。该质子 通过聚合物电解质膜并且在空气电极与氧反应以产生水。组成燃料电池的组件之一的膜电极组件(MEA)为在其中发生甲醇与氧之间的电化学反应的部件。该膜电极组件包括燃料电极、空气电 极和聚合物电解质膜。在燃料电极，通过曱醇的氧化反应产生电子。 在空气电极，通过氧(空气)的还原反应产生水。该燃料电极和空气电极 构成一种结构，在所述结构中在电解质膜上涂布电极催化剂层。图1为典型地显示该膜电极组件的剖面图。如图1中所示，膜电极组件IO为一种结构，在该结构中将燃料电极30与空气电极40分别 粘附于聚合物电解质膜20的相对的主表面处。此外，燃料电极30与 空气电极40也为一种结构，在该结构中催化剂层34与44分别设置在 聚合物电解质膜20与气体扩散层32之间和聚合物电解质膜20和气体 扩散层42之间。包括具有上述结构的膜电极组件10的直接曱醇燃料电池存在如下 问题与常规固体聚合物电解质燃料电池不同，由于引入液相曱醇至 燃料电池30而出现催化剂洗涤现象。具体地，由于曱醇的连续流动而 在电解质膜20上涂布的催化剂层34的催化剂从催化剂层34分离开， 结果是曱醇的氧化反应区会减小，因此，膜电极组件10的性能会降低。 尤其当直接曱醇燃料电池系统长时间运转(驱动)时，催化剂洗涤现象 (catalyst washing phenomenon)成为降低燃料电池性能的主要因素。关于这一点，本专利技术提出一种构造为具有如下结构的膜电极组件， 在该结构中，附加的多孔膜粘附于催化剂层的面向聚合物电解质膜的 相对面。另一方面， 一些常规技术公开了将附加层(粘合剂层)粘附于催 化剂层的面向聚合物电解质膜的相对面的技术。例如，日本未审查的专利公开2004-214045号公开了一种技术，该 技术将包括导电碳和氢离子导电聚合物电解质的粘合剂层施加到气体 扩散层上，并且在高温和高压下，将气体扩散层与催化剂层熔接以在 氢燃料电池中牢固地使催化剂层与气体扩散层彼此粘附。因此，该技 术可直接应用于直接曱醇燃料电池以抑制催化剂洗涤现象。然而，已 经证实，在直接曱醇燃料电池中，如曱醇的液体成分的流动由于热熔 接的粘合剂层而变得困难，因此，反应效率显著降低。同样，日本未审查的专利公开2005-174765号公开了一种技术，该 技术在燃料电极中在催化剂层和气体扩散层之间设置吸收材料(如炭 黑)、吸收性聚合物、碳气凝胶、金属氧化物或吸收纤维以实现氢燃料 电池在低温下的运转。因此，该技术可直接应用于直接曱醇燃料电池 以抑制催化剂洗涤现象。因为直接甲醇燃料电池是主要以如甲醇的液 体成分运转的系统，然而，在上述组件结构中，吸收材料被大量液体 成分浸透，并且该液体成分进一步减小了催化剂层的偶合力，从而相 当地加速了催化剂洗涤现象。因此，非常需要一种技术，该技术抑制了在如直接曱醇燃料电池会降低燃料电池的工作效率。
技术实现思路
技术问题因此，本专利技术旨在解决上述问题，以及尚未解决的其它技术问题。作为多种广泛而精深的研究和实验以解决上述问题的结果，本发 明的专利技术人已经发现，当在催化剂层的面向聚合物电解质膜的相对面 处设置多孔膜时，例如，在催化剂层与气体扩散层之间，如曱醇的液 体成分自由移动而不会降低燃料电池的工作效率，或者甚至加速了工 作效率，从而避免了因液体成分而引起的洗涤催化剂的现象的发生， 即，因液体成分而引起的冲扫催化剂的现象，因此，相当大地改进了 燃料电池的使用寿命特性。基于这些发现，已经完成了本专利技术。技术方案根据本专利技术的 一个技术方案，通过提供一种燃料电池的膜电极组件(MEA)实现上述和其它目的，其中，所述膜电极组件具有在催化剂 层的面向聚合物电解质膜的相对面处设置以防止催化剂损失的多孔膜 ("催化剂捕集层")。在根据本专利技术的膜电极组件中，通过使液体成分通过而不使固体 成分(即催化剂)通过的催化剂捕集层而阻止催化剂被排出，同时不会干 扰燃料电池工作所需的液体成分流动。因此，改进了燃料电池的工作 效率。特别是，极大地改进了燃料电池的使用寿命特性。所述催化剂捕集层可为多孔结构。例如，该催化剂捕集层可为包 括孔的薄膜结构，该孔的尺寸可使液体成分通过而不使催化剂通过。在优选实施方式中，所述催化剂捕集层为薄膜的孔中充满聚合物 电解质的结构或者在具有多个孔的薄膜的主表面的一面或两面涂布聚合物电解质的结构。在这些结构中，虽然催化剂捕集层的孔的直径比 催化剂的直径大，但由于孔中填充了聚合物电解质或者在薄膜的主表 面的至少 一面涂布了聚合物电解质，防止了催化剂洗涤现象的发生。扩散时引入至催化剂层的离子电导，以及足以使其不与该液体成分反 应的化学稳定性的材料。根据情况，该聚合物电解质可为与基于醇的 液体混合并且充分扩散以易于涂布的材料。该聚合物电解质可为酸和 碱，如全氟磺酸聚合物、掺杂聚苯并咪唑、聚醚酮和聚砜，上述物质 可以单独或者两种或更多种组合使用。组成所述催化剂捕集层的多孔膜没有特别限制，只要该多孔膜由 在燃料电池的反应条件下理化性质稳定并且具有多个孔的材料制成。 优选地，所述多孔膜由与构成二次电池组的电极组件时所用的分离器 相同或相似的材料制成。具体地，该多孔膜可构造为孔厚度为0.01 20口、厚度为0.1 100 口且孔隙率为30~80%的薄膜结构，并且该多孔膜可由具有耐化学性和 疏水性的基于聚烯烃(如聚乙烯或聚丙烯)的膜、玻璃纤维或基于聚烯烃 (如聚乙烯)的材料的片、无纺布或者牛皮纸制成。优选地，该多孔膜的 厚度为1 30口并且孔隙率为40~60%。根据情况，所述膜电极组件通过在所述多孔膜的主表面的 一 面或 两面上涂布凝胶聚合物而制备并且进行热熔接，从而使催化剂捕集层 与催化剂层和/或气体扩散层以高偶合力偶合。所述凝胶聚合物可为聚 环氧乙烷、聚偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的膜电极组件（ＭＥＡ），其中，所述膜电极组件具有设置在催化剂层的面向聚合物电解质膜的相对面处以防止催化剂损失的多孔膜（“催化剂捕集层”）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴有真，金赫，文高永，
申请(专利权)人：LG化学株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]