[发明专利]用于在膜电极组件中增强电流密度均匀性的催化剂层

说明书

技术领域

本发明整体涉及具有增强电流密度均匀性的催化剂层的膜电极组件以及此类催化剂层的制造方法。

背景技术

已经由膜电极组件(MEA)建造了诸如质子交换膜燃料电池、传感器、电解槽、氯碱分离膜等电化学装置。用在典型电化学电池中的MEA包括例如与阳极和阴极接触的离子传导膜(ICM)。阳极/膜/阴极结构夹在两个称为扩散电流收集器(DCC)的微孔导电元件之间形成五层MEA。在阳极处形成的离子被传送到阴极，使电流能够在连接各电极的外部电路中流动。

ICM通常包含聚合物电解质材料，这种材料可以组成其自身的结构支撑或可以被包含在多孔结构膜中。传送阳离子或质子的聚合物电解质材料可以为包含阴离子基团的聚合物的盐并且常常为部分或完全氟化的。

已经使用呈Pt或碳载Pt催化剂的应用分散体形式的催化剂电极建造了燃料电池MEA。可用于聚合物电解质膜的催化剂形式是通过湿化学法(诸如氯铂酸的还原)涂敷到较大的碳颗粒上的Pt或Pt合金。这种形式的催化剂与离聚物粘结剂、溶剂以及(常常)聚四氟乙烯(PTFE)颗粒一起分散以形成应用到膜或DCC上的墨水、糊剂或分散体。

最近，已经使用催化剂材料的含纳米结构化支撑元件颗粒或纳米结构化薄膜(NSTF)形成了催化剂层。可以将纳米结构化催化剂电极掺入非常薄的ICM表面层中，形成致密分布的催化剂颗粒。使用纳米结构化薄膜(NSTF)催化剂层使得比通过分散方法形成的催化剂层高得多的催化剂利用率得以发生。

本发明描述了制造用于电化学装置的增强的催化剂层的方法并且提供了多种超出现有技术的优点。

发明内容

本发明涉及包括催化剂层(诸如用于膜电极组件的那些)的制品以及方法。本发明的一个实施例涉及一种用于制造催化剂涂敷的聚合物电解质膜的方法。在基底上形成跨越催化剂层的宽度具有可变的活性分布的催化剂层。将该催化剂层设置在聚合物电解质膜(PEM)上以形成中间组件。将足以使催化剂层粘结到PEM上的压力施加到中间组件上。移除基底以产生多倍宽度的催化剂涂敷膜。沿催化剂层的长度切割该多倍宽度的催化剂涂敷膜以形成单倍宽度的催化剂涂敷膜。可以切割单倍宽度的催化剂涂敷膜以形成更小的催化剂涂敷膜。

可以通过形成具有可变的催化剂载量分布的催化剂层、形成具有可变的催化剂涂层表面积的催化剂层和/或形成具有可变的催化剂支撑元件表面积的催化剂层，来实现形成具有可变的催化剂活性分布的催化剂层。在一些实施中，催化剂层为包括涂有纳米结构化支撑元件层的催化剂材料的纳米结构化薄膜催化剂层。可以在显微结构的基底上形成催化剂层。催化剂层可以包含金属，诸如铂或铂合金。

根据本发明的一个方面，相对于在单倍宽度的催化剂涂敷膜的第二边缘处的较低催化剂活性，每个单倍宽度的催化剂涂敷膜在该单倍宽度的催化剂涂敷膜的第一边缘处与较高的催化剂活性相关联。催化剂涂敷膜可以被结合到具有带入口和出口的流场的燃料电池中，以使得第一边缘最接近流场出口并且第二边缘最接近流场入口。在这种构造中，位于单倍宽度的催化剂涂敷膜的第一边缘处的较高催化剂活性相对于位于单倍宽度的催化剂涂敷膜的第二边缘处的较低催化剂载量会在燃料电池的运转期间沿单倍宽度的催化剂涂敷膜形成基本上均匀的电流密度。

根据本发明的另一个方面，在基底上形成的催化剂层、中间组件和单倍宽度的催化剂涂敷膜中的至少一种作为卷状物品(roll good)形成。可以将第一和第二扩散电流收集器在邻近单倍宽度的催化剂涂敷膜的相对侧设置来形成膜电极组件。

催化剂层的可变催化剂活性分布可以跨越该催化剂层的宽度具有不同的比降。在一个实施中，可变的催化剂活性分布可以沿多倍宽度的催化剂涂敷膜的切割线具有基本上为零的比降。例如，可变的催化剂活性分布可以在切割线的一侧具有正比降，而在切割线的另一侧具有负比降。可变的催化剂活性分布可以沿切割线与第一催化剂活性相关联，而在沿催化剂层长度的边缘处与第二催化剂活性相关联。

本发明的另一个实施例涉及一种制造用于膜电极组件的催化剂层的方法。形成沿基础催化剂层的宽度具有可变的催化剂载量分布的多倍宽度的基础催化剂层。沿基础催化剂层的长度切割该基础催化剂层以形成多个催化剂层。