用于优化膜电极组件性能的控制参数制造技术

在适用于燃料电池的电极中产生、设置或以别的方式提供离聚 物材料的梯度。例如相对于催化剂层的碳含量(例如表示为比率)的离 聚物浓度在最靠近例如燃料电池的膜(例如膜侧面)的地方是最高的， 并且在最远离膜(例如气体侧面)的地方是降低的。作为另一非限制性 示例，可以形成离聚物梯度，以便浓度(如果相对于催化剂层的碳含 量进行表示，则或者是比率)可以逐渐地(与快速地相反)随着离开膜 的距离的增加而降低。

【技术实现步骤摘要】
用于优化膜电极组件性能的控制参数
本申请是于2004年1月22日提出申请的美国专利申请序列号No.10/763,633的部分继续申请，其全部内容通过引用而清楚地结合于本文中。本专利技术大体上涉及用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的膜电极组件(MEA)，更具体地说，本专利技术涉及用于PEMFC的MEA，其中阳极催化剂层和/或阴极催化剂层形成于多孔和/或无孔的支撑体(support)上，其中，离聚物材料以在最靠近膜层处具有较高离聚物含量并且在最远离膜层处具有较低离聚物含量层的梯度，而结合在所述支撑体中。另外，本专利技术涉及离聚物梯度连同涂覆有催化剂的扩散介质一起而形成，其中，涂覆有催化剂的扩散介质被热压在膜上，所述膜还可能设有形成在其上的催化剂层。
技术介绍
氢是极具吸引力的燃料，因为它是清洁燃料，而且可用于在燃料电池中高效地产生电能。汽车工业花费大量资源来开发氢燃料电池以作为汽车的动力源。这样的汽车会更加高效，并且与现今使用内燃机的汽车相比所产生的排放物更少。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极以及在这两者之间的电解质。阳极接受氢气，而阴极接受氧气或空气。氢气在阳极被氧化而产生自由的氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子发生反应以生成水。来自阳极的电子无法通过电解质，因此在被发送到阴极之前被引导通过负载，来进行做功。-->质子交换膜燃料电池(PEMFC)通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极一般包括支撑在碳颗粒上并与离聚物和溶剂相混合的分离的细小催化微粒，通常是铂(Pt)。阳极、阴极和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造较为昂贵，并且需要具备某些条件才能有效地工作。这些条件包括适当的水控制和潮湿，以及对催化剂毒物例如一氧化碳(CO)的控制。与PEM和其它相关类型的燃料电池系统相关的技术的示例可以参考以下共同转让的美国专利找到：Witherspoon等人的3,985,578；Li等人的5,624,769；Neutzler的5,776,624；Swathirajan等人的6,277,513；Wood，III等人的6,350,539；Fronk等人的6,372,376；Mathias等人的6,376,111；Vyas等人的6,521,381；Sompalli等人的6,524,736；Fly等人的6,566,004；Fly等人的6,663,994；Brady等人的6,793,544；Rapaport等人的6,794,068；Blunk等人的6,811,918；Mathias等人的6,824,909；以及参考以下共同转让的美国专利申请公开号找到：Mathias等人的2004/0009384；Darling等人的2004/0096709；Mathias等人的2004/0137311；O’Hara的2005/0026012；O’Hara等人的2005/0026018；O’Hara等人的2005/0026523；Mathias等人的2005/0042500；Angelopoulos等人的2005/0084742；Abd Elhamid等人的2005/0100774；Mathias等人的2005/0112449，Yan等人的2005/0163920；和Yan等人的2005/0164072，它们的全部内容通过引用清楚地结合于本文中。在MEA
中，在聚合物电解质膜上涂覆催化剂层是众所周知的。该催化剂层可直接沉积在该膜上，或通过首先在贴花基底上涂覆催化剂来间接地涂覆在该膜上。催化剂一般是通过滚轧工艺以浆的形式涂在贴花基底上。然后，催化剂经由热压步骤转移到膜上。这种MEA的制备工艺有时称为涂覆有催化剂的膜(CCM)。其它制备工艺包括在扩散介质上涂覆催化剂层以形成涂覆有催化剂的扩散介质(CCDM)，以及CCM和CCDM的组合。-->在催化剂被涂在贴花基底上之后，在转移到膜上之前，催化剂层上有时会被喷涂上离聚物层。即使催化剂和膜这两者都包括离聚物，但是，由于它减小了催化剂和膜之间的接触电阻，因此该离聚物喷涂层就在催化剂和膜之间提供了更好的接触。这就增加了膜和催化剂之间的质子交换，因此而提高了燃料电池的性能。贴花基底可以是多孔性的膨体聚四氟乙烯(ePTFE)贴花基底。或者，多孔贴花基底可以包括多孔聚乙烯、多孔聚丙烯和/或没有或具有适当表面涂层的类似物。然而，这种ePTFE基底非常昂贵，并且不可重复使用。具体而言，当催化剂被转移到该ePTFE基底上的膜上时，其中一部分离聚物残留在该ePTFE基底上。另外，该ePTFE基底会伸展、变形并且吸收溶剂，使得清洗步骤变得极其困难。因此，用来制造各阳极和阴极的每一ePTFE基底都被丢弃。贴花基底也可以是无孔的聚氟乙烯(ETFE)贴花基底。或者，无孔贴花基底可以包括PET、PTFE和/或类似物。该ETFE贴花基底为基底提供了催化剂和离聚物的最小损耗，因为基本上所有的涂层都通过贴花转移了。该基底不会变形而且可重复使用。对于这两种工艺而言，阳极和阴极贴花基底都被切割成最终电极大小的尺寸，然后热压成全氟化合物膜，随后，将贴花基底剥下。在另一已知的制造技术中，MEA被制备成CCDM，而非CCM。该扩散介质是多孔层，其对于气体和水通过MEA进行传送是必须的。该扩散介质通常是涂覆有微孔层的碳纸基底，其中，微孔层是碳和含氟聚合物的混合物(例如，FEP、PVDF、HFP、PTFE和/或类似物)。一般，催化剂墨水涂在微孔层的顶部上，并且可以喷涂以离聚物溶液。将一块空的全氟化合物膜夹在两块CCDM之间，其中催化剂侧面向该膜，然后进行热压，将CCDM粘合在膜上。一种制造加强的MEA的方法可以在共同转让的Sompalli等人的美国专利No.6,524,736中找到，其全部内容通过引用清楚地结合于本文中。如图1至图2a中所示，该方法包括：通过将催化剂墨水涂-->在多孔的膨体PTFE支撑体或网状物上的制造MEA的工艺，以产生具有均匀分布的离聚物粘合剂的电极。还介绍了表层喷涂以帮助催化剂到膜(例如用作粘合剂)的良好转移的构思。参照图1，显示了设置在多孔发泡PTFE支撑体12(例如具有离聚物粘合剂的铂/碳支撑体)上的涂覆的催化剂层10。参照图2和图2a，显示了包括阳极部分22，阴极部分24和设置在它们之间的膜(例如离聚物)部分26的膜电极组件20。每个电极部分、阳极和/或阴极都包括最接近膜部分26的膜侧面28和最远离膜部分26的气体侧面30。具体参照图2a，在各自的电极中(例如阳极和/或阴极)的任何离聚物材料的浓度在电极的整个厚度上都是较为均匀的，也就是，浓度没有从膜侧面28朝着气体侧面30显著地变化，例如，在如线25所指示的箭头方向上。然而，仍然需要制备MEA的工艺，其进行了简化、所生产的MEA比本领域中已知的MEA更为耐用，并且为在电极中的离聚物分布提供了更多的控制。
技术实现思路
根据本专利技术的第一实施例，提供了一种用于燃料电池中的电极催化剂层，其包括：(1)催化剂部分；和(2)设置在催化剂部分中的离聚物材料，其中离聚物材料的浓度形成了其中离聚物材料的浓度相对于催化剂部分的第一表面到催化剂部分的隔开且相对的第二表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池中的电极催化剂层，包括：　　　　催化剂部分；以及　　　　设置在所述催化剂部分中的离聚物材料；　　　　其中，所述离聚物材料的浓度形成了其中所述离聚物材料的浓度相对于所述催化剂部分的第一表面至所述催化剂部分的隔开且相对的第二表面降低或增加的梯度。

【技术特征摘要】
2006.5.15 US 11/4343261.一种用于燃料电池中的电极催化剂层，包括：催化剂部分；以及设置在所述催化剂部分中的离聚物材料；其中，所述离聚物材料的浓度形成了其中所述离聚物材料的浓度相对于所述催化剂部分的第一表面至所述催化剂部分的隔开且相对的第二表面降低或增加的梯度。2.根据权利要求1所述的电极催化剂层，其特征在于，所述第一表面或第二表面包括在约0.8到约3范围内的离聚物/碳(I/C)比率。3.根据权利要求1所述的电极催化剂层，其特征在于，所述第一表面或第二表面包括在约1到约2范围内的离聚物/碳(I/C)比率。4.根据权利要求1所述的电极催化剂层，其特征在于，所述第一表面或第二表面包括在约0.1到约1.0范围内的离聚物/碳(I/C)比率。5.根据权利要求1所述的电极催化剂层，其特征在于，所述第一表面或第二表面包括在约0.2到约0.8范围内的离聚物/碳(I/C)比率。6.根据权利要求1所述的电极催化剂层，其特征在于，还包括与所述电极催化剂层成邻接关系的膜。7.根据权利要求6所述的电极催化剂层，其特征在于，所述第一表面与所述膜成邻接关系。8.根据权利要求7所述的电极催化剂层，其特征在于，所述第一表面包括在约0.8到约3范围内的离聚物/碳(I/C)比率。9.根据权利要求7所述的电极催化剂层，其特征在于，所述第一表面包括在约1到约2范围内的离聚物/碳(I/C)比率。10.根据权利要求6所述的电极催化剂层，其特征在于，所述第二表面与所述膜是隔开并且相对的。-->11.根据权利要求10所述的电极催化剂层，其特征在于，所述第二表面包括在约0.1到约1.0范围内的离聚物/碳(I/C)比率。12.根据权利要求10所述的电极催化剂层，其特征在于，所述第二表面包括在约0.2到约0.8范围内的离聚物/碳(I/C)比率。13.根据权利要求6所述的电极催化剂层，其特征在于，所述离聚物材料的浓度在接近所述膜处是最高的。14.一种涂覆有催化剂的膜，包括：设置在所述膜的表面上的电极催化剂层；其中，所述电极催化剂层包括：催化剂部分；以及设置在所述催化剂部分中的离聚物材料；其中，所述离聚物材料的浓度形成了其中所述离聚物材料的浓度在接近所述膜的所述表面处为最高的梯度。15.根据权利要求14所述的膜，其特征在于，所述电极催化剂层包括在约0.8到约3范围内的离聚物/碳(I/C)比率。16.根据权利要求14所述的膜，其特征在于，所述电极催化剂层包括在约1到约2范围内的离聚物/碳(I/C)比率。17.根据权利要求14所述的膜，其特征在于，所述电极催化剂层包括在约0.1到约1.0范围内的离聚物/碳(I/C)比率。18.根据权利要求14所述的膜，其特征在于，所述电极催化剂层包括在约0.2到约0.8范围内的离聚物/碳(I/C)比率。19.根据权利要求14所述的膜，其特征在于，设置在所述膜的所述表面上的所述电极催化剂层的表面包括在约0.8到约3范围内的离聚物/碳(I/C)比率。20.根据权利要求14所述的膜，其特征在于，设置在所述膜的所述表面上的所述电极催化剂层的第一表面包括在约1到约2范围内的离聚物/碳(I/C)比率。21.根据权利要求20所述的膜，其特征在于，还包括设置在所-->述膜的所述表面上的所述电极催化剂层的第二表面，其中，所述第二表面与所述膜是隔开并且相对的。22.根据权利要求21所述的膜，其特征在于，所述第二表面包括在约0.1到约1.0范围内的离聚物/碳(I/C)比率。23.根据权利要求21所述的膜，其特征在于，所述第二表面包括在约0.2到约0.8范围内的离聚物/碳(I/C)比率。24.一种涂覆有催化剂的扩散介质，包括：设置在所述扩散介质的表面上的电极催化剂层；其中，所述电极催化剂层包括：催化剂部分；以及设置在催化剂部分中的离聚物材料；其中，所述离聚物材料的浓度形成了其中所述离聚物材料的浓度在接近所述扩散介质的所述表面处为最低的梯度。25.根据权利要求24所述的扩散介质，其特征在于，所述电极催化剂层包括在约0.8到约3范围内的离聚物/碳(I/C)比率。26.根据权利要求24所述的扩散介质，其特征在于，所述电极催化剂层包括在约1到约2范围内的离聚物/碳(I/C)比率。27.根据权利要求24所述的扩散介质，其特征在于，所述电极催化剂层包括在约0.1到约1.0范围内的离聚物/碳(I/C)比率。28.根据权利要求24所述的扩散介质，其特征在于，所述电极催化剂层包括在约0.2到约0.8范围内的离聚物/碳(I/C)比率。29.根据权利要求24所述的扩散介质，其特征在于，设置在所述扩散介质的所述表面上的所述电极催化剂层的表面包括在约0.1到约1范围内的离聚物/碳(I/C)比率。30.根据权利要求24所述的扩散介质，其特征在于，设置在所述扩散介质的所述表面上的所述电极催化剂层的第一表面包括在约0.2到约0.8范围内的离聚物/碳(I/C)比率。31.根据权利要求30所述的扩散介质，其特征在于，还包括设-->置在所述扩散介质的所述表面上...

【专利技术属性】
技术研发人员：甄苏珊，J·C·多伊尔，B·索姆帕利，H·A·加斯泰格，J·E·奥哈拉，顾文斌，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US