具有多层阴极的燃料电池膜电极组件制造技术

本发明专利技术提供了具有多层阴极的聚合物电解质膜燃料电池膜电极组件，其中更靠近所述聚合物电解质膜的所述电极第一层比所述电极的更远的第二层更亲水。在一些实施例中，所述第一层包含的聚合物电解质的当量重量的比例所述第二层中所含的聚合物电解质的当量重量低。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有多层阴极的聚合物电解质膜燃料电池膜电极组件，其中更靠近聚合物电解质膜的阴极第一层比阴极第二层更亲水，第二层距离聚合物电解质膜更远。
技术实现思路
简而言之，本专利技术提供了一种燃料电池膜电极组件，其包括i)具有第一和第二面的聚合物电解质膜；ii)支撑在聚合物电解质膜第一面上的阳极催化剂层；iii)支撑在聚合物电解质膜第二面上的第一阴极催化剂层，该第一阴极催化剂层包含第一阴极催化剂材料和第一聚合物电解质；以及iv)支撑在第一阴极催化剂层上的第二阴极催化剂层，该第二阴极催化剂层包含第二阴极催化剂材料和第二聚合物电解质；其中第一阴极催化剂层比第二阴极催化剂层更亲水。在一些实施例中，第一聚合物电解质具有第一当量重量，第二聚合物电解质具有第二当量重量，并且第一当量重量小于第二当量重量，典型地小于第二当量重量的85%，在一些实施例中小于第二当量重量的70%。在一些实施例中，第一当量重量为1050或更小，更典型地为1000或更小，更典型地为950或更小，更典型地为900或更小，更典型地为850或更小，并且最典型地为800或更小。典型地，第一阴极催化剂层紧邻聚合物电解质膜的第二面。典型地，第二阴极催化剂层紧邻第一阴极催化剂层。典型地， 第一阴极催化剂材料的重量与第二阴极催化剂材料的重量的比例为1 4到4 1，更典型地为1 2到2 1。典型地，第一和第二聚合物电解质为高度氟化的，更典型地为全氟化的。第一和第二聚合物电解质可包含根据下式的侧基-o-cf2-cf2-cf2-cf2-so3h。在另一方面，本专利技术提供了一种制备燃料电池膜电极组件的方法，其包括以下步骤i)提供具有第一和第二面的聚合物电解质膜；ii)将第一阴极催化剂层施加到聚合物电解质膜的第二面上，该第一阴极催化剂层包含第一阴极催化剂材料和具有第一当量重量的第一聚合物电解质；以及iii)将第二阴极催化剂层施加到第一阴极催化剂层上，该第二阴极催化剂层包含第二阴极催化剂材料和具有第二当量重量的第二聚合物电解质；其中第一阴极催化剂层比第二阴极催化剂层更亲水。在一些实施例中，该方法还可以包括以下步骤iv)在步骤iii)前将第二阴极催化剂层施加到气体扩散层上，以制备催化剂涂覆的背衬；并且其中步骤iii)包括将催化剂涂覆的背衬施加到第一阴极催化剂层上。在一些实施例中，该方法还可以包括以下步骤v)将阳极催化剂层施加到聚合物电解质膜的第一面上。在该方法的一些实施例中，第一当量重量小于第二当量重量，典型地小于第二当量重量的85%，在一些实施例中，小于第二当量重量的70%。在一些实施例中，第一当量重量为 1050或更小，更典型地为1000或更小，更典型地为950或更小，更典型地为900或更小，更典型地为850或更小，并且最典型地为800或更小。典型地，第一阴极催化剂层紧邻聚合物电解质膜的第二面。典型地，第二阴极催化剂层紧邻第一阴极催化剂层。典型地，第一阴极催化剂材料的重量与第二阴极催化剂材料的重量的比例为1 4到4 1，更典型地为1 2到2 1。典型地，第一和第二聚合物电解质为高度氟化的，更典型地为全氟化的。第一和第二聚合物电解质可包含根据下式的侧基-o-cf2-cf2-cf2-cf2-so3h。在另一方面，本专利技术提供了一种制备燃料电池膜电极组件的方法，其包括以下步骤i)提供具有第一和第二面的聚合物电解质膜；ii)提供具有表面的气体扩散层；iii) 将第二阴极催化剂层施加到气体扩散层的表面上，该第二阴极催化剂层包含第二阴极催化剂材料和具有第二当量重量的第二聚合物电解质；iv)将第一阴极催化剂层施加到第二阴极催化剂层上，该第一阴极催化剂层包含第一阴极催化剂材料和具有第一当量重量的第一聚合物电解质；其中第一阴极催化剂层比第二阴极催化剂层更亲水。在一些实施例中，该方法还可以包括以下步骤v)将阳极催化剂层施加到聚合物电解质膜的第一面上。在该方法的一些实施例中，第一当量重量小于第二当量重量，典型地小于第二当量重量的85%，并且在一些实施例中小于第二当量重量的70%。在一些实施例中，第一当量重量为1050或更小，更典型地为1000或更小，更典型地为950或更小，更典型地为900或更小，更典型地为850或更小，并且最典型地为800或更小。典型地，第一阴极催化剂层紧邻聚合物电解质膜的第二面。典型地，第二阴极催化剂层紧邻第一阴极催化剂层。典型地，第一阴极催化剂材料的重量与第二阴极催化剂材料的重量的比例为1 4到4 1，更典型地为1 2到2 1。典型地，第一和第二聚合物电解质为高度氟化的，更典型地为全氟化的。第一和第二聚合物电解质可包含根据下式的侧基-o-cf2-cf2-cf2-cf2-so3h。在本专利申请中聚合物的“当量重量”(ew)是指会中和一个当量碱的聚合物重量；“高度氟化的”是指包含40重量％或更多的氟，典型地包含50重量％或更多的氟， 更典型包含60重量％或更多的氟。附图说明图1为如实例所述在经过反复的开启/关闭循环后根据本专利技术的mea的极化曲线图。每条曲线都标记有在测量曲线前所经历的开启/关闭循环数。图2为如实例所述在经过反复的开启/关闭循环后对比性mea的极化曲线图。每条曲线都标记有在测量曲线前所经历的开启/关闭循环数。具体实施例方式本专利技术提供了具有多层阴极的燃料电池膜电极组件，其可在宽泛的操作条件下表现出良好的性能。根据本专利技术的膜电极组件(mea)可用于燃料电池。mea为质子交换膜燃料电池 (诸如氢燃料电池)的中心元件。燃料电池为电化学电池，其通过燃料(诸如氢)和氧化剂(诸如氧)的催化组合来产生可用的电力。典型的mea包含聚合物电解质膜(pem)(也称为离子导电膜(icm))，其用作固体电解质。所述pem的一个面接触阳极电极层，并且相对的面接触阴极电极层。在典型性应用中，质子通过氢氧化而在阳极处形成，并且被跨过所述 pem传送至所述阴极，以便与氧反应，从而导致电流在连接所述电极的外电路中流动。每个电极层均包含电化学催化剂，典型地包括钼金属。所述PEM在所述反应气体之间形成一种耐用的、无孔的、不导电的机械屏障，然而它也容易传递H+离子。气体扩散层(GDL)有利于气体在阳极和阴极电极材料之间来回传送，并且传导电流。所述GDL为多孔且导电的，并且通常由碳纤维组成。所述GDL也可称为流体传送层(FTL)或扩散片/集电器(DCC)。在一些实施例中，将所述阳极和阴极电极层涂覆到GDL上，并且所得的催化剂涂覆的GDL夹置有 PEM，以形成五层的MEA。五层的MEA中的五个层依次为阳极⑶L、阳极电极层、PEM、阴极电极层和阴极GDL。在其它实施例中，将所述阳极和阴极电极层涂覆到所述PEM的任一侧上， 并且所得的催化剂涂覆的膜(CCM)夹置于两个⑶L之间，以形成五层的MEA。可用于根据本专利技术的MEA的PEM可包含任何合适的聚合物电解质。在本专利技术中可用的聚合物电解质通常具有连接到共主链(common backbone)的阴离子官能团，其通常是磺酸基，但也可以包括羧基、酰亚胺基、酰胺基或其它酸性官能团。可用于本专利技术的聚合物电解质典型地为高度氟化的，最典型地为全氟化的，但也可以为部分氟化的或非氟化的。在本专利技术中可用的聚合物电解质通常是四氟乙烯和一种或多种氟化的酸官本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种燃料电池膜电极组件，其包括：ｉ）具有第一和第二面的聚合物电解质膜；ｉｉ）支撑在所述聚合物电解质膜的第一面上的阳极催化剂层；ｉｉｉ）支撑在所述聚合物电解质膜的第二面上的第一阴极催化剂层，所述第一阴极催化剂层包含第一阴极催化剂材料和第一聚合物电解质；和ｉｖ）支撑在所述第一阴极催化剂层上的第二阴极催化剂层，所述第二阴极催化剂层包含第二阴极催化剂材料和第二聚合物电解质；其中所述第一阴极催化剂层比所述第二阴极催化剂层更亲水。

【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：安德鲁·T·豪格，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US