制备膜电极组件的方法技术

本发明专利技术提供了一种制作膜电极组件的方法。所述方法包括采用多孔支撑物控制电极的干燥，采用润湿和非润湿溶剂控制离聚物渗漏进入所述多孔支撑物。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制备膜电极组件的方法
本专利技术涉及PEM/SPE燃料电池，尤其是制作电极和组合膜电极组件的方法。
技术介绍
在很多应用中需要使用电化学电池，特别是作为燃料电池使用时。人们已经提出将燃料电池用于多种应用中，包括在电车辆动力设备中，以代替内燃机。一种燃料电池设计采用固体聚合物电解质(SPE)膜或质子交换膜(PEM)，提供阳极和阴极之间的离子交换。可以在燃料电池中使用气体和液体燃料。例如，氢气和甲醇，而氢气更加有利。将氢气提供至燃料电池的阳极。氧气(为空气)为电池的氧化剂，提供给电池的阴极。所述电极由多孔导电材料构成，例如编织石墨、石墨化薄片或碳素纸从而使燃料分散在面对燃料供应电极的膜的表面。美国专利No.5272017和5316871(Swathirajan等)中描述了典型的燃料电池。燃料电池的重要方面包括发生电化学反应的反应表面，催化所述反应的催化剂，离子传导介质以及传质介质。燃料电池产生的动力的成本部分地取决于制备电极和膜电极组件(MEA)的成本。燃料电池产生的动力的成本比其它具有竞争性的发电设备要大，其部分原因是制备上述电极和MEA的成本。然而，由基于氢气的燃料电池产生的动力是人们所希望的，这是因为从环境保护的角度，氢气是可接受的，而且氢气燃料电池是高效的。因此，需要对上述组件的生产作出改进，改善成本从而使燃料电池在运输业使用中更加具有吸引力。专利技术概述本专利技术提供了一种制作膜电极组件(MEA)的方法，如下文中所述，该方法减少了电极缺陷，特别是公知的龟裂现象。本专利技术提供了两种制备电极的方法，一种为预处理方法，另一种为后处理方法。所述方法利用多孔基片，对施加在其上的浆液进行干燥从而形成电极。其中一个方面，所述浆液的应用涉及选择使用相对润湿和不润湿的溶剂以-->调节浆液的干燥，从而形成电极薄膜。在预处理方法中，在多孔支撑基片上涂覆润湿溶剂，从而使所述溶剂被吸收进入孔中。所形成的浆液包括离子传导材料，支撑在导电材料上的催化剂，以及不润湿多孔基片的溶剂。将所述浆液充分混合，将其涂覆于所述多孔支撑基片上形成涂层，干燥形成薄膜。将所述薄膜放置于膜上，经过加热和加压形成膜电极组件。有利地是，所述方法对干燥进行控制，通过防止电极收缩以及随后的电极破裂，从而形成更加坚固的电极。在后处理方法中，所述方法首先形成浆液，所述浆液含有离子传导材料，催化剂和润湿所述多孔基片的溶剂。将所述浆液充分混合，将其涂覆于所述基片表面并干燥形成涂层。在所述干燥层上涂覆离聚物溶液以及不润湿所述基片的溶剂。除了控制干燥，有利地是，该方法对电极中的离聚物含量进行了更加精确地控制。这是由于所述离聚物随着不会渗透至所述多孔基片中的溶剂一起加入电极上，从而所述离聚物不会从所述施加的涂层中渗透出来而进入所述基片。本专利技术的一个重要特征是使用多孔基片制备膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件依次包括第一电极、离子传导膜以及第二电极。所述多孔基片可释放地贴附在各自的电极上，这有利于在制作过程中对电极和MEA进行处理。所述多孔基片通过允许蒸汽经过基片而加强了对电极干燥的控制，而且通过使在热压过程中产生的水蒸汽透过所述多孔基片更好地将电极连接在膜上。附图的简要说明附图1为未组装的具有本专利技术膜电极组件的电化学燃料电池的示意图；附图2为本专利技术膜电极组件的截面图的图示；附图3为附图2中所示膜电极组件的图示，其具有石墨片；附图4为附图2所示阴极侧部分的放大图示；附图5为位于所述多孔基片上的电极层的图示；附图6显示了将电极浆液前体施加于多孔基片、干燥所述浆液、将电极热压至膜上，以及将所述片从MEA上剥离的方法；附图7依次显示了第一多孔基片、阳极、膜、阴极以及第二多孔基片；-->附图8显示了类似于附图7的结构，所述结构中在各个多孔基片层的每侧均具有多孔背衬材料；附图9显示了与采用常规方法制备的膜电极组件相比，由本专利技术方法A和B形成的膜电极组件的作为电流密度函数的电池电压。优选实施方案的详细描述本专利技术的目的是制备用于燃料电池的电极和膜电极组件。在对本专利技术进行详细描述之前，了解燃料电池的基本元件和MEA的部件是有帮助的。参照附图1，其中以未组装的图示方式显示了电化学电池10，其结合有膜电解质和电极组件12。这里电化学电池10为燃料电池。但是，本文所述的专利技术广泛地适合于电化学电池。电化学电池10包括不锈钢端板14、16，石墨块18、20，衬垫26、28，碳织物集电器30、32以及各自的连接线路31、33，膜电解质和电极组件12，所述石墨块具有开口22和24从而有利于气体扩散。两套石墨块、衬垫和集电器，即18，26，30和20，28，32各自称为气体和电流传输装置36、38。阳极连接线路31和阴极连接线路32用于连接外电路，所述外电路可以包括其它燃料电池。电化学燃料电池10包括气体反应物，其中一个为由燃料源37供应的燃料，另一个是由供给源39供给的氧化剂。来自于供给源37、39的气体扩散通过各自的气体和电流传输装置36和38到达MEA12的相对侧。36和38各自还被称为导电气体扩散媒介。附图2为根据本专利技术的组件12的示意图。参照附图2，多孔电极40形成位于燃料侧的阳极42，以及位于氧气侧的阴极44。固体聚合物电解质(SPE)膜46将阳极42与阴极44隔离开。SPE膜46提供离子传输从而有利于燃料电池10中的反应。本专利技术的电极提供了质子传递，通过电极和离聚物膜的密切接触，从而为上述质子传递提供基本连续的聚合物接触。因此，电池10的MEA12具有膜46，所述膜具有间隔开的第一和第二相对表面50、52，以及位于表面50、52之间的厚度或中间膜区域53。每个电极40，也就是阳极42和阴极44在相应的表面50、52上紧紧地粘附于膜46。在一个实施方案中，在膜46的每个侧面，每个电极40(阳极42，阴极44)进一步包括各自的第一和第二特氟纶化(Teflonated，聚四氟乙烯涂覆和浸透的)石墨片80、82。(附图3)阳极活性材料位于-->膜第一表面50和第一片80之间；阴极活性材料位于第二表面52和第二片82之间。每个特氟纶化片80、82的厚度约为7.5-13mil。本专利技术的固体聚合物电解质(SPE)膜46作为离子传导材料是本领域中公知的。美国专利No.4272353和3134697，以及Journal ofPower Sources，第29卷(1990)，第367-387页中描述了典型的SPE膜。所述SEP膜或片为离子交换树脂膜。所述树脂包括位于聚合物结构中的离子基团；其中的一个离子组分被聚合物基质固定或保留，而且至少另一个离子组分为可替换的移动离子，其与所述固定组分静电结合。所述移动离子在适当条件下被其它离子替换的能力使得这些材料具有离子交换的特性。可以通过聚合成分混合物制备所述离子交换树脂，其中一个成分包含离子组分。一类广泛的阳离子交换、质子传导树脂为所谓的磺酸阳离子交换树脂。在磺酸膜中，所述阳离子交换基团为水合磺酸根，其通过磺化作用连接至聚合物主链上。将这些离子交换树脂形成于膜中或片中是本领域所公知的。优选的类型是全氟磺酸聚合物电解质，其整个膜结构具有离子交换的特性。这些膜在商业上可以得到，一个典型的商业用磺化全氟化碳质子传导膜为E.I.Dupont de Nemours本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制作包括电极的组件的方法，所述方法包括：提供多孔基片，所述基片的孔中具有第一溶剂；在所述多孔基片上施加浆液，所述浆液包括离子传导材料、导电材料、催化剂以及第二溶剂，与第一溶剂相比，所述第二溶剂相对较少润湿或不润湿所述基片 ；以及从施加的浆液中除去足够量的溶剂，从而在所述基片上形成电极薄膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制作包括电极的组件的方法，所述方法包括：提供多孔基片，所述基片的孔中具有第一溶剂；在所述多孔基片上施加浆液，所述浆液包括离子传导材料、导电材料、催化剂以及第二溶剂，与第一溶剂相比，所述第二溶剂相对较少润湿或不润湿所述基片；以及从施加的浆液中除去足够量的溶剂，从而在所述基片上形成电极薄膜。2.如权利要求1所述的方法，其中所述多孔基片为编织或非编织氟化聚合物材料。3.如权利要求2所述的方法，其中所述多孔基片为膨胀聚四氟乙烯片。4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一溶剂选自异丙醇、正丙醇、正丁醇、仲丁醇、叔丁醇、乙醇以及它们的混合物。5.如权利要求2所述的方法，其中所述第一溶剂选自异丙醇、正丙醇、正丁醇、仲丁醇、叔丁醇、乙醇以及它们的混合物。6.如权利要求5所述的方法，其中所述第一溶剂为异丙醇。7.如权利要求1所述的方法，其中所述导电材料为碳，所述催化剂为金属。8.如权利要求1所述的方法，其中所述离子传导材料为全氟磺酸离聚物。9.如权利要求1所述的方法，其中所述第二溶剂选自甲醇、水、具有2至4个碳原子的二羟醇以及它们的混合物。10.如权利要求2所述的方法，其中所述第二溶剂选自由甲醇、水、具有2至4个碳原子的二羟醇以及它们的混合物构成。11.如权利要求1所述的方法，其中形成两个电极薄膜，并将每个薄膜施加于膜的相对面。12.一种制作包括电极的组件的方法，所述方法包括：在多孔基片上施加浇注浆液，所述浇注浆液包括离子传导材料、导电材料、催化剂以及第一溶剂；从施加的浇注浆液中除去足够量的溶剂，从而在所述基片上形成薄膜；-->在所述薄膜上施加浇注溶液，所述浇注溶液中包括第二溶剂，与第一溶剂相比，所述第二溶剂相对较少润湿或不润湿所述基片；从施加的浇注溶液中除去足够量的溶剂，从而在所述基片上形成电极薄膜；13.如权利要求12所述的方法，其中所述多孔基片为编织或非编织氟化聚合物材料。14.如权利要求13所述的方法，其中所述多孔基片为膨胀聚四氟乙烯片。15.如权利要求12所述的方法，其中所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：B索姆帕利，H加斯泰格，MF马蒂亚斯，M斯科扎法瓦，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]