具有传导网状物的燃料电池电极制造技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池电极层，其可包括催化剂、电子导体和离子导体。在所述电极层中具有多个富含电子导体的网状物和多个富含离子导体的网状物，所述富含离子导体的网状物散布于所述富含电子导体的网状物中。与所述富含电子导体的网状物相比，在所述富含离子导体的网状物中的所述离子导体与所述电子导体的体积比较大。在包括所述电极层的燃料电池的工作过程中，电子的传导主要发生在所述富含电子导体的网状物中，并且离子的传导主要发生在所述富含离子导体的网状物中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有传导网状物的燃料电池电极美国政府权利依据DOE颁布的CooperativeAgreement DE-FG36-07G017006,在政府资助下创造本专利技术。政府拥有本专利技术的某些权利。
本专利技术整体涉及燃料电池和/或燃料电池子组件，以及用于制造燃料电池和/或燃料电池子组件的方法。
技术介绍
燃料电池是从空气中结合氢燃料和氧气以产生电、热和水的电化学装置。燃料电池不利用燃烧，并产生少量的危害性排出物(如果有的话)。燃料池将燃料气体直接转化为电，并可按照比许多其它类型的发电机高得多的效率工作。通常的聚合物电解质膜(PEM)燃料电池包括膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件包括离子传导膜(PEM)，其中阳电极设置在所述离子传导膜的一侧并且阴电极设置在所述离子传导膜的另一侧。氢在阳电极被还原为氢离子和电子。电子提供电流以驱动外部负载， 并且氢离子穿过所述膜。在阴电极，氧气与氢离子结合以形成作为副产物的水。燃料电池的操作部分取决于气体、液体、电子和离子穿过形成MEA层的材料的传送程度。
技术实现思路
本专利技术中描述的实施例涉及一种燃料电池电极层，其包括催化剂、电子导体和离子导体。在所述电极层中具有多个富含电子导体的网状物和多个富含离子导体的网状物， 所述富含离子导体的网状物散布于所述富含电子导体的网状物中。与所述富含电子导体的网状物相比，在所述富含离子导体的网状物中的所述离子导体与所述电子导体的体积比较大。在包括所述电极层的燃料电池的工作过程中，电子的传导主要发生在所述富含电子导体的网状物中，并且离子的传导主要发生在所述富含离子导体的网状物中。在一些具体实施中，所述离子导体可包括离子导电聚合物的喷雾干燥的粒子。所述离子导电聚合物可包括例如全氟化磺酸(PFSA)和/或全氟化亚氨酸(PFIA)和/或烃。 许多粒子，并且在一些实施例中，大部分所述粒子可为具有基本平滑的外表面的中空的球状体。例如，大部分所述粒子可具有大于50nm的直径或在约I μ m至约15 μ m的范围内的直径。在一些具体实施中，所述电子导体可为催化剂涂覆的电子导体粒子，例如，钼涂覆的碳。作为另外一种选择，所述催化剂可设置在支承元件(诸如纳米结构化支承元件)上而非所述电子导体上。所述电子导体可包括碳、氧化锡和二氧化钛的一个或多个。所述催化剂可为钼、钯、双金属、金属合金和碳纳米管的一个或多个。例如，所述溶剂可包括水、一元醇和/或其它烃。所述离子导体可包括第一离子导电聚合物的粒子，并且所述电极层可还包括第二离子导电聚合物的粒子。根据一些方面，所述第一离子导电聚合物具有第一当量重量并且所述第二离子导电聚合物具有第二当量重量。大部分所述第二离子导电聚合物的粒子可具有小于约50nm的直径，并且大部分所述第一离子导电聚合物的粒子可具有大于约50nm或者大于约I μ m的直径，或者具有约3. 5 μ m的直径。在一些具体实施中，所述第二离子导电聚合物的粒子在电子导体上形成膜，并且所述第一离子导电聚合物的粒子包括所述离子导体的大部分体积。具有大于约Iym直径的所述第一离子导电聚合物的粒子可基本形成所述离子传导网状物。所述电极层可设置在燃料电池电解质膜上或气体扩散层上。所述电极层可设置在作为膜电极组件(MEA)的组分的燃料电池电解质膜的第一表面和第一气体扩散层之间。所述MEA还包括设置在所述电解质膜的第二表面和第二气体扩散层之间的第二电极层。所述第二电极层可以或可以不包括离子和电子网状物。所述燃料电池子组件可还包括分别被布置为靠近所述第一和第二气体扩散层的第一和第二流场板。多个MEA可被布置为形成燃料电池堆。一种制造燃料电池电极层的方法，包括结合离子导体、电子导体、催化剂和溶剂， 以形成电极油墨。所述离子导体包括平滑的、球状体粒子，例如，大部分所述粒子的直径大于约50nm或大于I μ m,或者在约50nm至约15 μ m之间的范围内。所述电极油墨的所述离子导体、所述电子导体、所述催化剂和所述溶剂混合一段时间。所述电极油墨涂覆在基底上，并干燥以形成所述燃料电池电极层。在一些电极油墨中，所述电子导体涂覆有催化剂。一些电极油墨包括被设置在支承结构上而非电子导体上的催化剂。例如，所述支承结构可为纳米结构化支承体。可通过在燃料电池电解质膜上涂覆电极油墨来形成一种燃料电池催化剂涂覆的膜(CCM)。所述电极油墨可替代性地或额外地被涂覆在燃料电池气体扩散层上。在一些具体实施中，所述离子导体的粒子包括喷雾干燥的离聚物粒子，其可为中空的、基本球形的(球状体)和/或可具有基本平滑的外表面。所述方法可包括在混合之前基本同期地结合所述离子导体、所述电子导体和所述溶剂。所述方法可包括形成包括所述电子导体和所述溶剂的预混合物，以及将所述预混合物混合一段时间。在混合所述预混合物之后，所述离子导体被添加到所述预混合物中，并且所述离子导体和所述预混合物混合一段时间。所述方法可包括在混合所述离子导体、所述电子导体、所述催化剂和所述溶剂之前和/或之后添加第二类型或第二形式的离子导体。在若干变型形式中，所述电极油墨可包括多个类型或形式的离子导体，包括第一类型的离子导电聚合物和第二类型的离子导电聚合物。所述电极油墨可包括第一形式和第二形式的相同离子导体。所述电极油墨可包括具有第一当量重量的第一离子导体和具有第二当量重量的第二离子导体。所述离子导体可包括第一离子导电聚合物粒子，大部分所述第一离子导电聚合物粒子的直径大于约I μ m。大部分所述第二离子导电聚合物的粒子的直径小于约50nm。在一些具体实施中，第一离子导电聚合物的体积大于第二离子导电聚合物的体积。在电极层的形成过程中，第二离子导电聚合物的粒子可涂覆电子导体。所述方法还包括通过喷雾干燥离子导电聚合物形成离子导体。在喷雾干燥的离子导体的形成过程中和/或在电极油墨的形成的其它时间可添加诸如铈和/或锰化合物的添加剂。可通过球磨、搅动和超声波降解的一个或多个完成结合所述电极层的所述组分。一些实施例包括包括电极层的燃料电池子组件，所述电极层包括催化剂、电子导体和与所述电子导体和所述催化剂混合的离子导体。所述离子导体包括粒子，并且大部分所述粒子是具有大于约50nm的直径的球状体。在一些具体实施中，大部分所述离子导体的粒子具有基本平滑的外表面，和/或为中空的，和/或具有在约Iym至约15 μ m的范围内的直径。所述电子导体可为催化剂涂覆的电子导体，和/或所述催化剂可涂覆在支承体上而非所述电子导体上。所述离子导体可为全氟化磺酸和全氟化亚氨酸的一个或多个。所述燃料电池子组件可还包括形式或类型不同于所述离子导体的第二离子导体。 例如，所述第一离子导体可具有第一当量重量，并且所述第二离子导体可具有第二当量重量。作为另一实例，所述第二离子导体可包括粒子，并且大部分所述第二离子导体的粒子可具有小于约50nm的直径。所述离子导体的粒子可不均匀地分布在所述电极层中，并且所述第二离子导体的粒子可涂覆所述电子导体。所述电极层可设置在燃料电池电解质膜上和/或燃料电池气体扩散层上。所述电极层可掺入到燃料电池膜电极组件中和/或燃料电池堆中。一种燃料电池子组件，包括电极层，其包括催化剂、电子导体、第一离子导体和与所述第一离子导体不同的第二离子导体。所述第一离子导体与所述第二离子导体彼此混合，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】...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁·T·豪格，史蒂文·J·哈姆罗克，格雷戈里·M·豪根，马克·A·舍内威尔，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：
国别省市：