[发明专利]含聚结溶剂的电极墨水

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2007年12月27日提交的美国临时专利No.61/017061的优先权，其公开内容全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及用含聚结溶剂的电极墨水制作燃料电池膜电极的方法。

发明内容

简言之，本发明提供了一种催化剂墨水，包含：a)固体，包括：i)催化剂材料，和ii)聚合物电解质；b)水性溶剂；和c)聚结溶剂。在一些实施方案中，所述聚结溶剂选自由烷烃、烯烃、胺、醚和任选被取代的芳香族化合物组成的组。在一些实施方案中，所述聚结溶剂选自由部分氟化的烷烃、部分氟化的叔胺、完全氟化的烷烃和完全氟化的叔胺组成的组。所述催化剂墨水典型地包含5-30重量％的固体，更典型地10-20重量％的固体。所述水性溶剂典型地包含0-50％的醇、0-20％的多元醇和30-100％的水。所述催化剂墨水典型地包含5-25重量％的聚结溶剂，更典型地10-20重量％的聚结溶剂，并在一些实施方案中大约15重量％的聚结溶剂。

在另一方面，本发明提供了一种具有含聚结溶剂的催化剂层的燃料电池膜电极组件。在一些实施方案中，所述聚结溶剂选自由烷烃、烯烃、胺、醚和任选被取代的芳香族化合物组成的组。在一些实施方案中，所述聚结溶剂选自由部分氟化的烷烃、部分氟化的叔胺、完全氟化的烷烃和完全氟化的叔胺组成的组。

在另一方面，本发明提供了一种制作燃料电池膜电极组件的方法，包括将根据本发明的催化剂墨水施加到a)和b)中的一者或多者的步骤：a)聚合物电解质膜，和b)多孔的导电气体扩散层。

在本申请中：

添加剂在聚合物膜中的“均匀”分布是指添加剂的存在量变化不超过+/-90％，更典型地不超过+/-50％并且更典型地不超过+/-20％；

聚合物的“当量重量”(EW)是指会中和一个当量碱的聚合物重量；

“多价阳离子”是指具有2+或更大电荷的阳离子；

“高度氟化的”是指含氟量在40重量％以上，典型地在50重量％以上并更典型地在60重量％以上；以及

“酸式”是指(关于阴离子官能团)其由质子中和。

“取代的”是指(对于化学品物质)由不与所需的产品或方法冲突的传统取代基取代的，例如，取代基可以是烷基、烷氧基、芳基、苯基、卤素(F，Cl，Br，I)、氰基、硝基等。

附图说明

图1是表示实施例中讨论的根据本发明的7膜电极组件(MEA)和对比物MEA的GDS性能的曲线图。

图2是表示实施例中讨论的根据本发明的7膜电极组件(MEA)和对比物MEA的空气利用性能的曲线图。

具体实施方式

本公开提供了制作燃料电池电极和包括该电极的膜电池组件(MEA)的一些方法，这些方法表现出改善的涂敷均匀度和改善的燃料电池性能。

根据本发明的膜电极组件(MEA)或聚合物电解质膜可以用于电化学电池，例如燃料电池。MEA是质子交换膜燃料电池，例如氢燃料电池的中心元件。燃料电池是通过例如氢气和氧化剂例如氧气的燃料的催化组合来产生可用电力的电化学电池。典型的MEA包括聚合物电解质膜(PEM)(也被称为离子导电膜(ICM))，其用作固体电解质。PEM的一个面与阳极电极层接触，相对的一面与阴极电极层接触。在典型应用中，在阳极处通过氢氧化形成质子并通过PEM输送到阴极与氧反应，使得连接电极的外部电路中流过电流。各个电极层包含电化学催化剂，典型地包含铂金属。所述PEM在反应气体之间形成耐用的、非多孔的、非导电的机械阻挡层，但它也易于传递H⁺离子。气体扩散层(GDL)有利于到达以及离开阳极和阴极电极材料的气体输送，并传导电流。所述GDL既是多孔的又是导电的，并且典型地由碳纤维构成。所述GDL也可以叫做流体传送层(FTL)或扩散器/集电器(DCC)。在一些实施方案中，将所述阳极和阴极电极层涂敷到GDL以形成催化剂涂敷的背衬层(CCB)，所得的CCB被夹在PEM中形成五层MEA。五层MEA的五个层依次为：阳极GDL、阳极电极层、PEM、阴极电极层和阴极GDL。在另一些实施方案中，所述阳极电极层和阴极电极层分别涂敷在所述PEM的两个侧面，所得的催化剂涂敷的膜(CCM)夹在两层GDL之间形成五层MEA。