[发明专利]气体扩散电极、膜电极组件及其制造方法

说明书

本申请要求2005年4月14日提交的美国临时专利申请60/671,336的权益。

技术领域

本发明涉及用于燃料电池和其它电化学应用方面的气体扩散电极，及相关的制造方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)被认为是不久的将来最有前途的洁净电能的来源之一。PEMFC是从气体燃料(典型的是氢气，纯的或与其它混合)和气体氧化剂产生直流电流的电化学发电机，所述气体氧化剂通常包含氧气或空气。所述电池的核心部分是膜电极组件，其包含离子交换膜以及阳极和阴极电池分隔间的物理隔膜，其中所述离子交换膜是支撑整个过程的固体电解质，所述物理隔膜与气体扩散电极结合或连接。所述气体扩散电极，与所述离子交换膜的任一侧接触的一个阳极和一个阴极，通常包括气体扩散媒介和催化层。

对于这些成分，从现有技术中可以知道下面几种技术方案：在某些情况下将所述催化层在与所述膜结合之前施加于所述气体扩散媒介上，和/或将它们在在其上施加未催化的气体扩散媒介之前直接涂覆在所述膜表面上。所述气体扩散媒介通常包括电导网和一个或多个气体扩散层。所述电导网可以是金属的或碳基的，并且可以包括纺织的或无纺的碳布、炭纸或任何其它优选的多孔的或有孔的介质的金属网、泡沫或布。

提供气体扩散层，以提供用于在所述电极结构内部，气体反应物向催化剂位点扩散的合适的路径，在所述催化剂位点上，发生燃料的氧化(阳极侧)和氧化剂的还原(阴极侧)的电化学反应。它们通常基于电导惰性填充物(例如，碳粒子)和适当的，优选疏水粘合剂(例如PTFE或其它氟化的粘合剂)的混合物。气体扩散层应当被仔细设计以提供可渗透的和光滑的结构，以确保所述气体反应物的正确分配而不会产生重物质传输障碍，并提供与所述膜良好的接触。

对于燃料电池改进的气体扩散结构例如公开于美国专利6,103,077中。催化层可以然后被施加到例如描述于美国专利6,017,650中的气体扩散层上。现有技术的催化层包含任选负载在碳或石墨颗粒上贵金属催化剂，例如铂，和通常是离聚物全氟化碳物质离聚物成分。所述离聚物成分可以被添加到所述催化剂-粘合剂混和物中和/或随后其可作为润湿所述预施加的催化剂和粘合剂颗粒的外层而被施加。与现有技术中已知的质子交换膜相结合的这种气体扩散电极，例如基于如Nafion^(美国DuPont公司的商标)的氟碳酸，可引起膜电极组件的优异性能的特征。然而，在这种结构中贵金属成分被使用范围如此之低导致需要很高的单位担载量(通常在市售产品中对于阳极和对于阴极两者而言铂的范围是0.3-1mg/cm²)。在燃料电池中为获得合适的性能所需要的贵金属的高含量可能是阻碍PEMFC(和其它类型的燃料电池，例如DMFC，直接甲醇燃料电池)获得商业成功的唯一最重要的因素。

具有催化剂层的离子交换膜的直接金属化已经被提出作为获得较好的催化剂-膜界面的方法，这使得可以进行更好的催化剂的开发，并且因此可使用较低的贵金属担载量。然而，直到现在也没有用于膜的直接金属化的方法被证明是有效和实用的。通过溅射或超高真空沉积(UHV)所需的高温必然导致对敏感的离子交换膜的连续破坏，并且甚至常用的物理和化学气相沉积技术(PVD或CVD)也已经被证明是难于控制的和不便于扩大规模。

美国专利6,077,621公开了在膜的金属化方面的实质性改进，在该专利中为了这个目的使用了双重IBAD。双重IBAD，其为离子束辅助沉积(IBAD)技术的改进，具有能够在低温过程中进行的优点以及容易大规模生产的附加优点。最初将膜通过具有不高于500eV的能量的第一低能离子束，例如为Ar⁺束进行清洁和纹理化；然后将第二离子束聚焦到所述膜上，该离子束包含与预先借助于电子束蒸发的待被沉积的金属离子一起的较高能量的离子(例如O₂⁺或N₂⁺)。双重IBAD也较传统的IBAD(其中使用单一离子束)有利得多，其中它允许形成具有所需的密度和孔隙度的更好的控制的膜，同时对所述膜结构给予最小的应力。