[发明专利]膜电极组件的增强催化剂界面

说明书

技术领域

本发明整体涉及膜电极组件的增强催化剂界面。

背景技术

电化学装置，诸如质子交换膜燃料电池、传感器、电解槽、氯碱分离膜等，一直由膜电极组件(MEA)构造而成。在典型的电化学电池中使用的MEA包括例如与包含催化剂的阳极和阴极电极层接触的离子传导膜(ICM)。ICM通常包含聚合物电解质材料，该材料构成自身的结构支承或包含在多孔结构膜中。

这种阳极/膜/阴极结构夹在称为扩散集电器(DCC)的两个微孔导电元件之间以形成一个五层的MEA。阳极形成的离子被传送到阴极，使与电极相连的外部电路中产生电流。

已使用承载催化剂材料颗粒或薄膜的纳米结构支承元件形成催化剂层。纳米结构催化剂电极可以结合到非常薄的层中，在ICM表面上形成密实分布的催化剂颗粒。

有效的MEA设计力求增大MEA夹层结构中各层之间接触的界面面积，以便有效地促进反应物和副产物被传送穿过该MEA。增大的界面面积提高了效率和载流量。

本发明描述MEA子组件的增强界面并提供该增强界面的制造方法。

发明内容

本发明涉及有关增强催化剂界面的制品和方法。一个实施例涉及具有所述增强催化剂界面的膜电极子组件。该子组件包括具有显微织构第一表面的离子传导膜。该子组件还包括具有显微织构第二表面的微孔层。所述显微织构第一表面和显微织构第二表面具有互补的特征。显微织构第二表面的特征被构造为与显微织构第一表面的特征接合。在第一和第二显微织构表面之间设置催化剂层。所述微孔层设置在电极背衬上。

在各项具体实施中，互补特征有利于所述显微织构第一和第二表面之间的摩擦或机械连接。例如，互补特征可促进所述显微织构第一和第二表面之间的机械捕获。在一些构造中，互补特征的接合有利于所述显微织构第一和第二表面之间的过盈配合、联锁配合、分形联锁配合、压力配合和/或榫槽配合。

例如，互补特征可具有大致呈锥体的形状、大致呈锯齿的形状或其它形状。互补特征可被构造为隆起、凹槽、棱锥或其它几何形。根据该实施例的一些方面，可在所述显微织构第一和第二表面设置配准特征以利于互补特征对齐。所述显微织构第一表面的特征可具有不同于所述显微织构第二表面特征的形状。

所述子组件的催化剂层可由一个或多个催化剂材料薄膜形成。在一些具体实施中，所述催化剂层可由纳米结构催化剂层构成，该纳米结构催化剂层包含由苝红或其它材料形成的纳米结构支承晶须。所述纳米结构支承晶须可承载纳米级催化剂颗粒或催化剂薄膜。

根据本发明的一个方面，所述子组件的离子传导膜可包括显微织构第三表面。该子组件还可包括具有显微织构第四表面的第二微孔层。显微织构第三表面和显微织构第四表面也可具有互补特征，其中显微织构第四表面的特征被构造为与显微织构第三表面的特征结合。第二催化剂层设置在所述显微织构第三表面和显微织构第四表面之间。第一和第二电极背衬层可设置在所述微孔层上。一个或多个子组件元件可成形为卷材。

该子组件可包括具有气体流动通道和机体构造的第一和第二流场板。这些流场板被构造为在压缩力下与所述电极背衬层相接触。互补特征的接合对所述显微织构表面之间的界面有利，该界面在压缩力下基本防止所述显微织构表面出现帐蓬状覆盖。

本发明的另一个实施例涉及一种制造具有增强催化剂界面的子组件的方法。该方法涉及在离子传导膜上形成显微织构第一表面和在扩散集电器层上形成显微织构第二表面。所述显微织构第一表面和显微织构第二表面具有互补特征，其中显微织构第一表面的特征被构造为与显微织构第二表面的特征结合。该方法还涉及在所述显微织构第一表面和显微织构第二表面之间设置催化剂层。

根据该实施例的各个方面，可在将所述催化剂层转移到离子传导膜时为该离子传导膜赋予显微织构表面。可在将所述催化剂层转移到扩散集电器时为该扩散集电器赋予所述显微织构第二表面。可使用压花工艺形成这两个显微织构第一表面和第二表面或其中的一个，该工艺涉及压花工具，诸如压花转筒或压花轮。可在所述显微织构第一和第二表面上形成配准特征。

根据另一个方面，可在转移基底上形成显微织构图案。然后使用该转移基底在所述膜上压印出显微织构第一表面和在所述DCC层上压印出显微织构第二表面。可在该转移基底上形成剥离层以利于所述两个显微织构表面或其中一个的形成。该转移基底可包括在所述剥离层上提供的催化剂。所述剥离层可以是具有苝红纳米结构支承晶须的纳米结构层。可使用卷材加工技术至少部分地实施制造所述子组件的方法。