具有整合的增強(qiáng)層的電極組件制造技術(shù)

電極組件和制造電極組件的方法。該方法的一種實(shí)施方案包括將離聚物溶液涂覆到催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)上，以形成濕離聚物層，和將多孔增強(qiáng)層施加到該濕離聚物層上，以使得該濕離聚物層至少部分地浸漬該增強(qiáng)層。干燥該帶有浸漬的增強(qiáng)層的濕離聚物層，和將它結(jié)合到催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)上形成組件，該組件包括整合增強(qiáng)的質(zhì)子交換膜層。這個(gè)層可以另外結(jié)合到其它離聚物層和其它催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)上，由此形成膜電極組件。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
具有整合的增強(qiáng)層的電極組件相關(guān)申請(qǐng)說(shuō)明本申請(qǐng)是2008年1月11日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)系列No.11/972817，標(biāo)題為“MethodofMakingaProtonExchangeMembraneUsingaGasDiffusionElectrodeasaSubstrate”的部分繼續(xù)申請(qǐng)案，其在此引入作為參考。
本專利技術(shù)總地涉及燃料電池，更具體地涉及增強(qiáng)燃料電池中所用的聚合物膜和涉及制造增強(qiáng)的聚合物膜由此使得這樣的膜的結(jié)構(gòu)性能得到增強(qiáng)的方法。
技術(shù)介紹
燃料電池，也稱作電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池，通過(guò)加工反應(yīng)物例如通過(guò)氫氣和氧氣的氧化和還原反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能。氫氣是一種非常吸引人的燃料，因?yàn)樗乔鍧嵉模⑶宜軌蛴糜谠谌剂想姵刂杏行У禺a(chǎn)生電。汽車工業(yè)已經(jīng)花費(fèi)了大量的資源用于開(kāi)發(fā)作為車輛的動(dòng)力源的氫燃料電池。通過(guò)氫燃料電池提供動(dòng)力的車輛較之目前使用內(nèi)燃機(jī)的車輛更加高效，并且產(chǎn)生的排放物更少。在典型的燃料電池系統(tǒng)中，氫氣或富氫氣體作為反應(yīng)物通過(guò)流路供給到燃料電池的陽(yáng)極側(cè)，而氧氣(例如處于大氣氧氣的形式)作為反應(yīng)物通過(guò)分開(kāi)的流路供給到燃料電池陰極側(cè)。催化劑(通常呈貴金屬，例如鉑，的形式)被置于陽(yáng)極和陰極上，以促進(jìn)反應(yīng)物向電子和帶正電荷的離子(對(duì)于氫氣來(lái)說(shuō))以及帶負(fù)電荷的離子(對(duì)于氧氣來(lái)說(shuō))的電化學(xué)轉(zhuǎn)化。在一種公知的燃料電池形式中，陽(yáng)極和陰極可以由導(dǎo)電的氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM)材料的層制成，在其上沉積催化劑來(lái)形成催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)(CCDM)。電解質(zhì)(也稱作離聚物、質(zhì)子傳導(dǎo)性或質(zhì)子導(dǎo)電性)層將陽(yáng)極與陰極分開(kāi)，使得陽(yáng)離子從陽(yáng)極向陰極選擇性通過(guò)，同時(shí)阻止所產(chǎn)生的電子的通過(guò)，代之以被迫流過(guò)外部導(dǎo)電回路(例如負(fù)載)作有用功后在陰極處與帶電離子重新結(jié)合。陽(yáng)離子和陰離子在陰極處的結(jié)合導(dǎo)致作為該反應(yīng)的副產(chǎn)物產(chǎn)生非污染的水。在另外一種公知的燃料電池形式中，該陽(yáng)極和陰極可以直接形成在電解質(zhì)層上，構(gòu)成被稱作陰極包覆膜(CCM)的結(jié)構(gòu)。不管所述構(gòu)造是CCDM基的還是CCM基的，所形成的附著在質(zhì)子傳導(dǎo)性介質(zhì)的一個(gè)或兩個(gè)相對(duì)面上的一種或多種電極的組合被稱作膜電極組件(MEA)。一種特別的燃料電池構(gòu)造，被稱作質(zhì)子交換膜或聚合物電解質(zhì)膜(在任何一種情況下，PEM)燃料電池，已經(jīng)表現(xiàn)出特別適于車輛和相關(guān)的移動(dòng)應(yīng)用。質(zhì)子傳導(dǎo)性膜(其構(gòu)成了PEM燃料電池的電解質(zhì)層)是固體形式(例如離聚物的全氟磺酸(PFSA)層，它的一個(gè)市售品的例子是Nafion?)。上述的MEA當(dāng)配置來(lái)通過(guò)適當(dāng)?shù)牧髀?例如來(lái)自雙極板或其它流體傳輸裝置)接受反應(yīng)物時(shí)，形成了單個(gè)的PEM燃料電池；許多這樣的單電池可以組合起來(lái)形成燃料電池堆，這提高其功率輸出。多個(gè)堆可以聯(lián)接在一起以進(jìn)一步提高功率輸出。雖然有進(jìn)步，但是現(xiàn)有PEM燃料電池技術(shù)的一個(gè)問(wèn)題是由自持性電解質(zhì)層來(lái)形成MEA是很昂貴的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
根據(jù)本專利技術(shù)的教導(dǎo)的一個(gè)方面，公開(kāi)了一種制造MEA的方法，其包括提供第一CCDM，將第一離聚物溶液涂覆到該CCDM上以致形成第一濕離聚物層，將多孔增強(qiáng)層施加到該濕離聚物層上以致該濕離聚物層浸漬至少一部分該增強(qiáng)層，和干燥該帶有浸漬的增強(qiáng)層的濕離聚物層，以形成PEM層。MEA的概念，雖然傳統(tǒng)上理解為包括附著在膜上的兩種電極(即，陽(yáng)極和陰極)，但是其在本專利技術(shù)中擴(kuò)展到還包括含有僅僅一個(gè)的電極和所述膜的組件的亞組；討論中的該變體的性質(zhì)將從上下文中變得顯而易見(jiàn)。任選地，可以將第二離聚物溶液沉積或以其它形式形成在第二CCDM上，以形成第二濕離聚物層；與上述第一濕離聚物層一樣，該第二濕離聚物層可以與第一濕離聚物層基本上同時(shí)或在其之后進(jìn)行干燥。同樣，一旦干燥，該第二離聚物層就可以通過(guò)熱壓、層合或相關(guān)方法結(jié)合到增強(qiáng)的PEM層和第二CCDM中的一個(gè)或兩者上。在另一形式中，第二離聚物溶液可以沉積在已經(jīng)浸漬有增強(qiáng)層的第一濕離聚物層上。可將電極附著和固定到第一或第二干燥的離聚物層上。在該第一和第二溶液中的離聚物可以相同或不同，其任一或二者可以包含溶劑。同樣，該離聚物可以基于磺酸化的聚醚酮、芳基酮、聚苯并咪唑、PFSA、全氟環(huán)丁烷(PFCB)等，而該離聚物溶液進(jìn)一步可以包含化學(xué)降解緩解劑來(lái)降低對(duì)質(zhì)子交換膜層的化學(xué)損害的可能性。如上所述，該多孔增強(qiáng)層可以由聚合物膜、機(jī)織織物或其組合來(lái)制成。根據(jù)本專利技術(shù)的另一方面，公開(kāi)了一種整合增強(qiáng)的MEA。在一種實(shí)施方案中，電極組件包括CCDM和在該CCDM上的增強(qiáng)的PEM層，其中PEM層和CCDM之間的增強(qiáng)關(guān)系來(lái)源于該原本非結(jié)構(gòu)性自持性離聚物和多孔增強(qiáng)層的整合結(jié)合。任選地，整合的多孔增強(qiáng)層是由聚合物膜、機(jī)織織物或其組合制成的，如上面結(jié)合前述方面所討論的那樣。MEA可以另外包括形成在增強(qiáng)的PEM層表面上的第二離聚物層，以致該第二離聚物層被置于增強(qiáng)材料上與第一離聚物層相對(duì)的一側(cè)。第二離聚物層中的離聚物可以與第一離聚物層中的離聚物不同或相同。類似地，該一個(gè)或多個(gè)離聚物層可以由上面結(jié)合前述方面提及的材料制成，包括PFSA、PFCB或相關(guān)的烴離聚物。MEA可以是燃料電池的基礎(chǔ)，燃料電池又可以是轎車、卡車、摩托車或相關(guān)的汽車的動(dòng)力源。具體地，本專利技術(shù)涉及以下方面：1.一種制造膜電極組件的方法，其包括：提供第一催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)；和在該第一催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)上形成增強(qiáng)的聚合物電解質(zhì)膜，該形成包含：將第一離聚物溶液涂覆到該第一催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)上，以在其表面上形成第一濕離聚物層；將多孔增強(qiáng)層施加到該第一濕離聚物層上，以使得該第一濕離聚物層至少部分地浸漬該增強(qiáng)層；和干燥該帶有浸漬的增強(qiáng)層的第一濕離聚物層。2.方面1的方法，其進(jìn)一步包含將第二離聚物溶液涂覆到該至少部分浸漬的增強(qiáng)層上。3.方面2的方法，其中將第二離聚物溶液涂覆到該至少部分浸漬的增強(qiáng)層上是在干燥該第一濕離聚物層之前進(jìn)行的。4.方面2的方法，其中將第二離聚物溶液涂覆到該至少部分浸漬的增強(qiáng)層上是在干燥該第一濕離聚物層之后進(jìn)行的。5.方面1的方法，其進(jìn)一步包括：將第二離聚物溶液涂覆到第二催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)上，以在其表面上形成第二濕離聚物層；干燥該第二離聚物層；和將該第二離聚物層和第二催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)結(jié)合到增強(qiáng)層上。6.方面5的方法，其中該第一離聚物層和該第二離聚物層的干燥是彼此獨(dú)立進(jìn)行的。7.方面5的方法，其中將該第二離聚物層和該第二催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)結(jié)合到增強(qiáng)層上是在該第一和第二離聚物層干燥后進(jìn)行的。8.方面7的方法，其中將該第一和第二離聚物層結(jié)合到增強(qiáng)層上是通過(guò)層合來(lái)進(jìn)行的。9.方面7的方法，其中將該第一和第二離聚物層結(jié)合到增強(qiáng)層上是通過(guò)熱壓來(lái)進(jìn)行的。10.方面5的方法，其中第一離聚物溶液中的離聚物不同于第二離聚物溶液中的離聚物。11.方面5的方法，其中第一離聚物溶液中的離聚物與第二離聚物溶液中的離聚物基本相同。12.方面5的方法，其中該第一和第二離聚物溶液中的至少一種包含離聚物和溶劑。13.方面12的方法，其中該溶劑是富含醇的。14.方面2的方法，其進(jìn)一步包括：在該第二離聚物溶液干燥后，將第二催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)置于該第二離聚物溶液和至少部分浸漬的增強(qiáng)層中的至少一個(gè)上；和將該第二催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)和干燥的第二離聚物層結(jié)合到增強(qiáng)層上。15.方面14的方法，其中將該第二離聚物溶液涂覆到該至少部分浸漬的增強(qiáng)層上是在第一濕離聚物層干燥之前本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種制造膜電極組件的方法，其包括：提供第一催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)；和在該第一催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)上形成增強(qiáng)的聚合物電解質(zhì)膜，該形成包括：將第一離聚物溶液涂覆到該第一催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)上，以在其表面上形成第一濕離聚物層；將多孔增強(qiáng)層施加到該第一濕離聚物層上，以使得該第一濕離聚物層至少部分地浸漬該增強(qiáng)層；和干燥該帶有浸漬的增強(qiáng)層的第一濕離聚物層。

【技術(shù)特征摘要】
2012.03.30 US 13/4348981.一種制造膜電極組件的方法，其包括：提供第一催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)；和在該第一催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)上形成增強(qiáng)的聚合物電解質(zhì)膜，該形成包含：將第一離聚物溶液涂覆到該第一催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)上，以在其表面上形成第一濕離聚物層；將多孔增強(qiáng)層施加到該第一濕離聚物層上，以使得該第一濕離聚物層至少部分地浸漬該增強(qiáng)層；和干燥帶有浸漬的增強(qiáng)層的第一濕離聚物層。2.權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包含將第二離聚物溶液涂覆到至少部分浸漬的增強(qiáng)層上。3.權(quán)利要求2的方法，其中將第二離聚物溶液涂覆到至少部分浸漬的增強(qiáng)層上是在干燥該第一濕離聚物層之前進(jìn)行的。4.權(quán)利要求2的方法，其中將第二離聚物溶液涂覆到至少部分浸漬的增強(qiáng)層上是在干燥該第一濕離聚物層之后進(jìn)行的。5.權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括：將第二離聚物溶液涂覆到第二催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)上，以在其表面上形成第二濕離聚物層；干燥該第二濕離聚物層；和將該第二濕離聚物層和第二催化劑包覆的擴(kuò)散介質(zhì)結(jié)合到增強(qiáng)層上。6.權(quán)利要求5的方法，其中該第一濕離聚物層和該第二濕離聚物層的干燥是彼此獨(dú)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：SC穆斯，SL彼得斯，TJ富勒，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：