高性能膜电极组件的可放大卷到卷制造制造技术

制造方法包括：在第一气体扩散层(GDL)上沉积第一催化剂以形成第一催化剂涂覆的GDL；在第一催化剂涂覆的GDL上沉积第一离聚物以形成第一气体扩散电极(GDE)；在第二GDL上沉积第二催化剂以形成第二催化剂涂覆的GDL；在第二催化剂涂覆的GDL上沉积第二离聚物以形成第二GDE；并且将第一GDE与第二GDE以及与设置在第一GDE和第二GDE之间的电解质膜层压以形成膜电极组件(MEA)。MEA包含第一GDL；第二GDL；电解质膜，其设置在第一GDL和第二GDL之间；第一催化剂层，其设置在第一GDL和电解质膜之间；以及第二催化剂层，其设置在第二GDL和电解质膜之间，其中电解质膜的厚度为大约15μm或更小。其中电解质膜的厚度为大约15μm或更小。其中电解质膜的厚度为大约15μm或更小。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高性能膜电极组件的可放大卷到卷制造
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年2月14日提交的美国专利申请16/791,650的权益和优先权，该申请的内容以其全部并入本文。


[0003]本公开一般涉及用于质子交换膜燃料电池的膜电极组件(MEA)。

技术介绍

[0004]大众市场燃料电池驱动交通工具的商业可行性仍然被基于贵金属的催化剂(质子交换膜燃料电池(PEMFC)中的关键部件)的高成本阻碍。虽然开发催化剂以降低此类成本的重大努力已取得前途有望的成果，但生产这些催化剂并将它们集成到MEA中可能涉及显著高于商业规模生产可行的精度和加工复杂性。
[0005]正是在这种背景下，产生了开发本公开的实施方式的需要。

技术实现思路

[0006]在一些实施方式中，制造方法包括：在第一气体扩散层上沉积第一催化剂以形成第一催化剂涂覆的气体扩散层；在第一催化剂涂覆的气体扩散层上沉积第一离聚物以形成第一气体扩散电极；在第二气体扩散层上沉积第二催化剂以形成第二催化剂涂覆的气体扩散层；在第二催化剂涂覆的气体扩散层上沉积第二离聚物以形成第二气体扩散电极；并且将第一气体扩散电极与第二气体扩散电极以及与设置在第一气体扩散电极和第二气体扩散电极之间的电解质膜层压以形成膜电极组件。
[0007]在一些实施方式中，制造方法包括：在第一气体扩散层上沉积第一催化剂以形成催化剂涂覆的气体扩散层；在催化剂涂覆的气体扩散层上沉积离聚物以形成气体扩散电极；在气体扩散电极上形成电解质膜，在电解质膜上沉积第二催化剂以形成催化剂涂覆的气体扩散电极；并且将催化剂涂覆的气体扩散电极与第二气体扩散层层压以形成膜电极组件。
[0008]在一些实施方式中，用于燃料电池的膜电极组件包含：第一气体扩散层；第二气体扩散层；电解质膜，其设置在第一气体扩散层和第二气体扩散层之间；第一催化剂层，其设置在第一气体扩散层和电解质膜之间；以及第二催化剂层，其设置在第二气体扩散层和电解质膜之间，其中电解质膜的厚度为大约15μm或更小。
[0009]在一些实施方式中，燃料电池包含任何前述实施方式的膜电极组件。
[0010]还考虑了本公开的其他方面和实施方式。前述概述和下列详细描述并不意味着将本公开限制于任何具体实施方式，而仅仅意味着描述本公开的一些实施方式。
附图说明
[0011]为了更好地理解本公开的一些实施方式的本质和目的，应参考下列结合附图的详
细描述。
[0012]图1.自下而上的电极制造过程的示意图，其中碳、铂(Pt)纳米颗粒和离聚物依次沉积在聚四氟乙烯(PTFE)处理的气体扩散层的微孔层上。
[0013]图2.离聚物分散体酒精含量对燃料电池性能的影响。a，未校正的MEA H2‑
空气极化曲线。b，用含有不同酒精浓度的离聚物分散体制备的阴极的MEA H2‑
O2质量活性(MA)值。c，MEAH2‑
空气极化曲线，其中校正了高频电阻(HFR)和总氧传输电阻(R
total
)的电势，以及校正了H2转线路(crossover)的电流密度(i
eff
)，并且由在大约0.85V的值归一化。虚线表示遵循流线型塔菲尔动力学的理论曲线。d，从c(左)和R
total
值(右)中提取的铂利用率(U
Pt
)值。条件：阴极负载量＝0.095
±
0.015mg
Pt
/cm2；阳极负载量＝大约0.1mg
Pt
/cm2；电池温度＝大约80℃；总出口压力＝大约150kPa；阴极和阳极相对湿度(RH)＝大约100％；阴极流量＝大约每分钟5000标准立方厘米(sccm)；阳极流量＝大约500sccm。
[0014]图3.离聚物分散体的物理表征。a，含有不同酒精浓度的大约0.5wt.％离聚物分散体的动态光散射测量。b，用附聚的和非附聚的离聚物分散体形成的假设催化剂结构的图解。
[0015]图4.碳载体结构对燃料电池性能的影响。a，未校正的MEA H2‑
空气极化曲线。b，用含有不同碳载体的离聚物分散体制备的阴极的MEA H2‑
O
2 MA值。c，MEA H2‑
空气极化曲线，其中校正了HFR和R
total
的电位，以及校正了i
eff
的电流密度，并且由在大约0.85V的值归一化。虚线表示遵循流线型塔菲尔动力学的理论曲线。d，从c(左)和R
total
值(右)中提取的U
Pt
值。条件：阴极负载量＝0.1
±
0.015mg
Pt
/cm2；阳极负载量＝大约0.1mg
Pt
/cm2；电池温度＝大约80℃；总出口压力＝大约150kPa；阴极和阳极RH＝大约100％；阴极流量＝大约5000sccm；阳极流量＝大约500sccm。
[0016]图5.碳载体的物理表征。a，使用Barrett
‑
Joyner
‑
Halenda理论从N2解吸曲线计算的孔径分布曲线。b，MA值针对包含在大约4
‑
7nm孔中的一小部分载体表面积作图。c，每种碳载体的建议催化剂结构的图解。
[0017]图6.使用分散体流延膜进行功率密度测量。a，用分散体流延膜制备的MEA的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像。b，在各种背压下获得的未校正的MEA H2‑
空气极化曲线。
[0018]图7.含有不同酒精含量和余量水的四种大约0.5wt.％Nafion分散体的小瓶。
[0019]图8.分散体流延膜的燃料电池测试结果。a，用商业和分散体流延膜制成的大约0.1mg
Pt
/cm2MEA在选定电流密度下的未校正的极化曲线和HFR值。b，使用限制电流测量计算的总O2电阻。
[0020]图9.用分散体流延膜组装MEA的示意图。
[0021]图10.用EC300J碳载体和大约7.8wt.％酒精Nafion分散体测试的MEA的代表性奈奎斯特图系列。在高频下(最接近原点)，阴极质子电阻的无45
°
角特征特性明显，表明离聚物分布均匀。
[0022]图11.N2等温线数据。a，等离子体处理的XC
‑
72、EC300J、E600JD和CMK
‑
3碳载体的相对压力等温线。b，使用Brunauer
‑
Emmett
‑
Teller(BET)方法确定的表面积。
[0023]图12.介孔率计算。a，使用Barrett
‑
Joyner
‑
Halenda方法确定的大约4
‑
7nm孔中包含的表面积分数。b，在大约3.5
‑
7nm孔中包含的表面积分数。
[0024]图13.改进的MEA制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制造方法，其包括：在第一气体扩散层上沉积第一催化剂以形成第一催化剂涂覆的气体扩散层；在所述第一催化剂涂覆的气体扩散层上沉积第一离聚物以形成第一气体扩散电极；在第二气体扩散层上沉积第二催化剂以形成第二催化剂涂覆的气体扩散层；在所述第二催化剂涂覆的气体扩散层上沉积第二离聚物以形成第二气体扩散电极；和将所述第一气体扩散电极与所述第二气体扩散电极以及与设置在所述第一气体扩散电极和所述第二气体扩散电极之间的电解质膜层压以形成膜电极组件。2.根据权利要求1所述的制造方法，进一步包括在所述第一气体扩散层上沉积第一催化剂载体以形成第一催化剂载体涂覆的气体扩散层，并且其中在所述第一气体扩散层上沉积所述第一催化剂包括在所述第一催化剂载体涂覆的气体扩散层上沉积所述第一催化剂以形成所述第一催化剂涂覆的气体扩散层。3.根据权利要求2所述的制造方法，进一步包括在所述第二气体扩散层上沉积第二催化剂载体以形成第二催化剂载体涂覆的气体扩散层，并且其中在所述第二气体扩散层上沉积所述第二催化剂包含在所述第二催化剂载体涂覆的气体扩散层上沉积所述第二催化剂以形成所述第二催化剂涂覆的气体扩散层。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的制造方法，其中沉积所述第一催化剂是通过原子层沉积执行的。5.根据权利要求4所述的制造方法，其中沉积所述第二催化剂是通过原子层沉积执行的。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的制造方法，进一步包括在将所述第一气体扩散电极与所述第二气体扩散电极层压之前，在所述第一气体扩散电极上形成所述电解质膜。7.根据权利要求6所述的制造方法，其中形成所述电解质膜是通过流延或分子层沉积执行的。8.根据权利要求6所述的制造方法，其中所述电解质膜的厚度为15μm或更小。9.根据权利要求6所述的制造方法，进一步包括沉积自由基清除剂以在所述电解质膜上形成清除剂层。10.根据权利要求1
‑
9中任一项所述的制造方法，其中沉积所述第一离聚物包含至少部分地将所述第一离聚物浸渍到所述第一催化剂涂覆的气体扩散层的第一催化剂层中。11.根据权利要求10所述的制造方法，其中沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
申请(专利权)人：大众汽车公司，
类型：发明
国别省市：