控制抗氧化剂位置的燃料电池制造方法技术

一种制造燃料电池的方法和根据该方法制造的燃料电池。该方法可以包括：将设置有空气入口和氢气入口的子垫圈接合到三层膜电极组件(MEA)的侧面，三层膜电极组件(MEA)包括电解质膜、位于电解质膜的一个表面上的阴极以及位于电解质膜的另一表面上的阳极的；将包含抗氧化剂前体的气体扩散层层叠在阴极和阳极上，并且制备五层MEA；以及向五层MEA施加电流，并且将源自抗氧化剂前体的抗氧化剂移动到电解质膜。膜。膜。

【技术实现步骤摘要】
控制抗氧化剂位置的燃料电池制造方法


[0001]本专利技术涉及一种制造燃料电池的方法以及根据该方法制造的燃料电池，该方法使包含在抗氧化剂中的金属离子局部迁移至电解质膜的存在大量化学劣化(chemical degradation)的区域。

技术介绍

[0002]通常，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)作为用于车辆的燃料电池而应用。为了使PEMFC在车辆的各种行驶条件下表现出具有至少几十kW的正常高输出性能，PEMFC应当能够在宽的电流强度范围内稳定地工作。
[0003]用于在PEMFC中发电的反应发生在由全氟磺酸离聚物基膜以及阳极和阴极的电极而形成的膜电极组件(MEA)中。供给到阳极(PEMFC的氧化物电极)的氢被分离成氢离子(质子)和电子，然后氢离子通过膜朝向阴极(还原电极)迁移，并且电子通过外部电路迁移到阴极。然后，氧分子、氢离子以及电子一起在阴极反应以产生电和热，同时产生作为反应副产物的水(H2O)。
[0004]当存在适量的水时，在PEMFC中的电化学反应期间产生的水希望用于保持MEA的湿润。然而，当水过多存在时，在高电流强度下发生溢流现象。溢流水阻碍了反应气体向PEMFC内部的有效供应，使得电压损失变得非常大。在这种PEMFC的电化学反应中，当在阳极的氢离子通过膜迁移到阴极时，氢离子通常与水合氢离子(例如H3O
+
)形式的水分子结合，以拖动水分子。这种现象被称为电渗透(electro
‑
osmotic drag(EOD))。另外，当积聚在阴极的水量增加时，一些水可能从阴极反向运动到阳极，这被称为反扩散(back diffusion(BD))。因此，为了从PEMFC获得优异的电池性能，需要准确地理解水的运动现象并且有效地利用PEMFC中的水。
[0005]通常，作为PEMFC的反应气体的空气中的氢和氧穿过电解质膜，以促进过氧化氢(H
‑
O
‑
O
‑
H)的产生，并且过氧化氢产生羟自由基(
‑
OH)和含氧自由基(例如，过氧羟自由基(
‑
OOH))。这些自由基攻击全氟磺酸基电解质膜以引起电解质膜的化学劣化，从而降低PEMFC的耐久性。传统上，作为减轻电解质膜的化学劣化的技术，已经提出了向电解质膜添加各种抗氧化剂的方法。另外，随着MEA的保证能力时间的增加，在增加抗氧化剂的能力或增加抗氧化剂的绝对量的方向上进行研究。
[0006]然而，由于技术限制，提高抗氧化剂能力的方向需要大量的研究时间和投资。因此，在工业上，大部分研究都是在增加电解质膜中抗氧化剂的绝对量的方向上进行的。然而，当仅增加抗氧化剂的绝对量时，代表抗氧化的金属离子以预定量以上进入电解质膜中，以与代表质子传导的磺酸基3ea螯合。因此，存在导电性降低并且因此增加欧姆损耗的问题。另外，当仅增加抗氧化剂的绝对量时，存在以下问题：当执行转移阴极/阳极电极的过程时，由于表面特性的变化而使转移性劣化，使得缺陷的发生率可能急速增加。
[0007]因此，需要一种通过将抗氧化剂以高浓度仅引入经常发生劣化的电解质膜中来制造燃料电池的、有效且经济的方法。

技术实现思路

[0008]在优选的方面，提供了一种制造燃料电池的方法和通过该方法制造的燃料电池，该方法使包含在抗氧化剂中的金属离子局部地迁移至电解质膜的具有大量化学劣化的区域。
[0009]本专利技术的目的不限于上述目的，并且可以通过以下描述来理解本专利技术未提及的其他目的，并且通过本专利技术的实施方式，也将显而易见地理解本专利技术的其他目。另外，本专利技术的目的可以通过所附权利要求及其组合中描述的手段来实现。
[0010]在一个方面，提供了一种制造燃料电池的方法，该方法包括：将设置有空气入口和氢气入口的子垫圈接合到三层膜电极组件(MEA)的侧面，三层膜电极组件包括电解质膜、位于电解质膜的一个表面上的阴极以及位于电解质膜的另一个表面上的阳极；将包含抗氧化剂前体的气体扩散层层叠在阴极和阳极中的至少一者上，并且制备五层MEA；以及向五层MEA施加电流，并且将源自抗氧化剂前体的抗氧化剂移动到电解质膜。
[0011]气体扩散层可以包括基材和位于基材上的微孔层，微孔层可以位于阴极和阳极中的至少一者上，并且抗氧化剂前体可以包含于微孔层。
[0012]本文所用的“微孔层”是指包括尺寸小于2nm的孔或洞的多孔材料。示例性微孔基材可以包括预定尺寸(例如，小于2nm)内的闭孔或开孔，预定尺寸通过孔的最大直径测量。
[0013]抗氧化剂前体可以包括抗氧化剂的氧化物。
[0014]抗氧化剂前体可以包括CeO2和MgO2中的至少一者。
[0015]抗氧化剂可以是离子状态。
[0016]抗氧化剂可以包含选自Ce
3+
、Ce
4+
、Mg
2+
和Mg
3+
中的一种或多种。
[0017]微孔层可以包含含量范围为约165μg/cm2至约210μg/cm2的抗氧化剂前体。
[0018]微孔层的厚度范围可以为约10μm至约100μm。
[0019]电流可以以强度范围为约50A至约250A施加到气体扩散层。
[0020]可以在温度范围为30℃至约90℃、湿度范围为约30％至约100％且施加电流的时间为3小时以上的条件下，将电流施加到气体扩散层。
[0021]本文所述的方法，以及源自包含在气体扩散层中的抗氧化剂前体的抗氧化剂可以包括在电解质膜中。
[0022]抗氧化剂可以主要分布在电解质膜中的沿厚度方向的与邻近子垫圈的空气入口的气体扩散层相对应的部分中。
[0023]抗氧化剂可以以含量范围为约0.1μm/cm2至约20μm/cm2包含在电解质膜中。
[0024]以下讨论本专利技术的其它方面。
附图说明
[0025]现在将参照附图中示出的某些示例性实施方式详细地说明本专利技术的上述和其他特征，附图在下文中仅以示例的方式给出，因此并不限制本专利技术，其中：
[0026]图1示出根据本专利技术示例性实施方式的、制造燃料电池的示例性方法；
[0027]图2A示出根据本专利技术示例性实施方式的、包括抗氧化剂前体的示例性气体扩散层，该气体扩散层设置为与阴极和阳极中的每一者接触；
[0028]图2B示出根据本专利技术示例性实施方式的、在将包括抗氧化剂前体的气体扩散层设
置为与阴极和阳极中的每一者接触之后的示例性三层膜电极组件(MEA)；
[0029]图3示出根据本专利技术示例性实施方式的示例性的气体扩散层；
[0030]图4A是示出在根据本专利技术示例性实施方式制造的燃料电池中的示例性MEA的耐久性测试前后，铈离子的分布的映射图像；
[0031]图4B是示出在将满足本专利技术条件的电流施加到根据本专利技术示例性实施方式制造的燃料电池之后，铈离子在示例性电解质膜的平面中的分布的平面图；
[0032]图4C是示出在将满足本专利技术条本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制造燃料电池的方法，包括以下步骤：将设置有空气入口和氢气入口的子垫圈接合到三层膜电极组件的侧面，所述三层膜电极组件包括电解质膜、位于所述电解质膜的一个表面上的阴极以及位于所述电解质膜的另一个表面上的阳极；将包含抗氧化剂前体的气体扩散层层叠在所述阴极和所述阳极中的至少一者上，并制备五层膜电极组件；以及向所述五层膜电极组件施加电流，并使源自所述抗氧化剂前体的抗氧化剂移动至所述电解质膜。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气体扩散层包括基材和位于所述基材上的微孔层；所述微孔层位于所述阴极和所述阳极中的至少一者上；并且所述微孔层包含抗氧化剂前体。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述抗氧化剂前体包括所述抗氧化剂的氧化物。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述抗氧化剂前体包括CeO2和MgO2中的至少一者。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述抗氧化剂处于离子状态。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述抗氧化剂包含选自Ce
3+
、Ce
4+
、Mg<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李珠熙，
申请(专利权)人：起亚株式会社，
类型：发明
国别省市：