具有借助于混合的当量重量离聚物而大龟裂减少的改进电极制造技术

本发明专利技术提供用于形成燃料电池电极，和特别是燃料电池阴极层的油墨组合物。该油墨组合物包括当量重量低于800的第一种含供质子基团的离聚物，任选的当量重量大于800的第二种含供质子基团的离聚物，和催化剂组合物。还提供由该油墨组合物形成的电极层。

【技术实现步骤摘要】

在至少一个方面，本专利技术涉及用于燃料电池的催化剂层，和特别是涉及显示大龟裂减少的催化剂层。
技术介绍
燃料电池用作许多应用中的电源。特别地，建议在汽车中使用燃料电池来替代内燃机。通常使用的燃料电池结构使用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)，以在阳极和阴极之间提供离子传输。在质子交换膜型燃料电池中，氢气供给至阳极作为燃料，氧气供给至阴极作为氧化剂。氧气可以为纯的形式(O2)或为空气(02和队的混合物)。PEM燃料电池典型地具有膜电极组合体(“MEA”)，其中固态聚合物膜在一个面上具有阳极催化剂，在对面具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极和阴极层由多孔导电材料，例如织物石墨、石墨化片材或碳纸形成，所述多孔导电材料能够使燃料和氧化剂分别在朝向燃料-和氧化剂-供给电极的膜表面之上扩散。各电极具有担载在碳颗粒上的细碎催化剂颗粒(例如钼颗粒)，以促进氢气在阳极处氧化以及氧气在阴极处还原。质子从阳极起穿过离子导电聚合物膜，流到阴极，在那里它们与氧气化合形成从电池中排出的水。MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，所述多孔气体扩散层进而夹在一对无孔导电元件或片材之间。该板材起阳极和阴极的电流收集器的作用，并且包含适当的通道和其中形成的开孔，以使燃料电池的气体反应剂在各阳极和阴极催化 剂的表面之上分布。为了有效地产生电能，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄、化学稳定、质子可传输、不导电和不透气。在典型的应用中，燃料电池以许多独立燃料电池组的阵列的形式提供，以提供高水平的电能。形成MEA的一种方法包括通过在垫片框架(shim frame)中直接喷涂或涂布,在PEM上沉积电极油墨。电极可以在贴花膜(decal)上形成，并转印至PEM。另外，催化剂/离聚物油墨可以涂布在气体扩散介质(GDM)基材上，被称为催化剂涂布扩散介质(CCDM)。电极油墨典型地包括载体，例如碳载体上的粉末催化剂，以及在混合溶剂中分散的离聚物溶液。该混合溶剂通常以特殊比率包含一种或多种有机溶剂，例如醇，以及水，取决于催化剂类型。在涂布到PEM、贴花膜基材或GDM上之前，然后将该混合物通过球磨均化至多约3天。对于垫片涂布，可以通过垫片厚度来控制催化剂载荷；对于Mayer绕线棒涂布，可以通过丝数控制催化剂载荷。根据需要，为了更高的催化剂载荷，可以施加多次涂布。施涂潮湿油墨之后，将溶剂在烘箱中干燥，去除溶剂并形成电极。催化剂/离聚物涂布贴花膜干燥之后，然后通过热压，将催化剂/离聚物转印到PEM上形成MEA。阳极和阴极可以同时热压到PEM上。热压的压力和时间可以按照不同的MEA类型加以变化。由油墨组合物形成的催化剂层倾向于在表面上形成被称作“大龟裂”的网状裂纹。大龟裂已知会使燃料电池性能下降，特别是相对于湿度变化和电池循环而言。特别地，大龟裂导致在膜中形成针孔。形成针孔导致膜分解，并因此导致MEA寿命减少。现有技术中已知一些减少大龟裂的方法。例如，可以通过增加催化剂油墨干燥的时间来减少大龟裂。虽然这种技术作用适当好，但是干燥时间增加提高了制造成本。因此，需要减少燃料电池中的催化剂层中的大龟裂的新方法。
技术实现思路
本专利技术通过提供用于形成燃料电池电极的油墨组合物来解决现有技术的一个或多个问题。该油墨组合物包括当量重量低于800的第一种含供质子基团的离聚物，任选的当量重量大于800的第二种含供质子基团的离聚物，和催化剂组合物。有利地，发现本实施方案的油墨组合物来形成催化剂层，和特别是形成大龟裂减少的阴极层。在另一个实施方案中，提供使用该油墨组合物形成燃料电池电极层，和特别是燃料电池阴极层的方法。该方法包括将油墨组合物层施加于气体扩散层以形成涂布的气体扩散层的步骤。该油墨组合物特征在于包括当量重量低于800的第一种含供质子基团的离聚物，任选的当量重量大于800的第二种含供质子基团的离聚物，和催化剂组合物。然后将涂布的气体扩散层干燥，以形成布置在该气体扩散层上的燃料电池阴极层。 在另一个实施方案中，提供引入上述催化剂层的燃料电池。该燃料电池包括第一气体扩散层和布置在该第一气体扩散层之上并与其接触的阴极层。该阴极层特征在于包括当量重量低于800的第一种含供质子基团的离聚物，任选的当量重量大于800的第二种含供质子基团的离聚物，和催化剂组合物。燃料电池还包括阳极层，插入阴极层和阳极层之间的离子导电层，布置在阳极层之上的第二气体扩散层，布置在第一气体扩散层之上的第一流场板，和布置在第二气体扩散层之上的第二流场板。本专利技术还包括以下方面: 1.用于形成燃料电池电极的油墨组合物，该油墨组合物包含: 第一种当量重量低于800的含供质子基团的离聚物； 任选的第二种当量重量大于800的含供质子基团的离聚物；和 催化剂组合物。2.方面I的油墨组合物，其中第一种含供质子基团的离聚物和第二种含供质子基团的离聚物各自独立地包含选自-S02X、-PO3H2和-COX的组成部分；和 X为-0H、卤素、酯,或本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于形成燃料电池电极的油墨组合物，该油墨组合物包含：第一种当量重量低于800的含供质子基团的离聚物；任选的第二种当量重量大于800的含供质子基团的离聚物；和催化剂组合物。

【技术特征摘要】
2011.12.06 US 13/311,8001.用于形成燃料电池电极的油墨组合物，该油墨组合物包含: 第一种当量重量低于800的含供质子基团的离聚物； 任选的第二种当量重量大于800的含供质子基团的离聚物；和 催化剂组合物。2.权利要求1的油墨组合物，其中第一种含供质子基团的离聚物和第二种含供质子基团的离聚物各自独立地包含选自_S02X、-PO3H2和-COX的组成部分；和3.权利要求1的油墨组合物，其中第一种含供质子基团的离聚物具有低于750的当量重量，第二种含供质子基团的离聚物具有大于850的当量重量。4.权利要求1的油墨组合物，其中第一种含供质子基团的离聚物和第二种含供质子基团的离聚物各自独立地为全氟磺酸(PFSA)聚合物。5.权利要求1的油墨组合物，其中第一种含供质子基团的离聚物和第二种含供质子基团的离聚物各自独立地包括具有全氟环丁基基团的聚合物，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：BM霍塔林，TA格雷什勒，TJ富勒，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：