[发明专利]PEM燃料电池催化剂层的聚合物涂层

说明书

技术领域

可溶性聚合物例如非晶态含氟聚合物与微细碳粒子和/或纤维在溶剂中的悬浮液，被直接施加到质子交换膜(PEM)燃料电池催化剂层的外向面(outward face)的表面和碳/催化剂粒子的最初几层上。

背景技术

传统的PEM燃料电池使用集电器/气体扩散层来机械地支撑易碎的膜-电极组件(MEA)并降低PEM燃料电池的内阻。所述集电器/气体扩散层通常由大孔层组成，该大孔层也被不同地称为支撑层、气体扩散衬里或气体扩散层，一般由基质组成，例如纤维碳纸，一般为纸之一。该大孔层通常在一面涂有疏水或部分疏水的微孔层，有时称为双层。所述微孔层通过堆载压力(stack loading pressure)的压缩力以机械方式被压向MEA并固定就位。疏水性是需要的以确保(在阴极)产物水离开阴极表面，以及(在两个电极)微孔层的内部孔保持不含水，以使反应气体能通过支撑体到达电化学活性催化剂层。

因为大孔层中纤维之间的间隔(限定孔)在约20-40微米，且因为微孔层(双层)的孔大小在0.1-10微米，所以为了结构完整性微孔层必须为约25微米厚。或者，为了机械支撑微孔层可渗入大孔层中相似深度。最小化微孔层厚度(以最小化气体扩散损耗)的尝试是受限的，因为它们将损害机械强度。如果微孔层强度不够，则产物水的液压将使微孔层扭变，并使水积聚在MEA和微孔层之间，阻止反应气体到达催化剂层。此外，鉴于堆中有数百个燃料电池，厚的微孔层能增加燃料电池的长度和重量，这两者均须最小化，尤其在车辆应用中。

微孔层通常被制造为PFE分散体和微细碳粒子的烧结混合物。如果混合物不均匀或烧结不充分，裸露碳表面可能暴露于润湿，并从而阻断反应气体到达催化剂层。微孔层和催化剂层之间的界面是不连贯的(abrupt)，并且是化学活性的，其可以氧化微孔层中的碳；这进而将导致产物水在界面处的聚积和阻塞反应气体。

美国专利6880238中说明了一种解决这些和其它问题的令人感兴趣的方法，其将大孔支撑层称为气体扩散衬里层。在两个例子中，TEFLON共聚物与催化剂、和溶剂混合成糊料，其被施加于气体扩散衬里层，例如已知的纸之一上；所述气体扩散衬里此后被压在湿的质子交换膜上。在三个另外的例子中，将气体扩散衬里层浸入非晶态含氟聚合物溶液中，以使整个气体扩散衬里层是疏水性的。作为一个变体，所述非晶体含氟聚合物可喷涂于纸上。

前面所述解决了必须在超过PEM可耐受的温度烧结基质和微孔层的问题。但是，没有改进前述的这种设置的其它问题特征。

在前述的所有现有技术中，疏水性微孔层只因为通过其拉杆(tie rods)施加于燃料电池堆的压缩力而保持与催化剂接触。与疏水性微孔层的物理接触并不导致催化剂的表面孔隙及内部孔隙是疏水性的。如果阴极上的液体水的液压超过将微孔层压向催化剂的加载力，则液体水将在催化剂层表面聚积并阻碍流体传输。

发明概述

本发明的设置使用了可溶性疏水聚合物来涂覆催化剂层的外向面的表面和该结构的最外面的碳/催化剂粒子的表面，从而在催化剂层上形成微孔层。聚合物悬浮液在一定程度上渗入电极孔隙并用聚合物涂覆孔壁，据此使碳上的离聚物孔(其通常是亲水性的)成为疏水性的。可溶性疏水聚合物可以是任何这样的聚合物，其可溶于在相对低的温度(优选低于200℃)蒸发的溶剂，且在燃料电池环境中稳定。

一种示例性涂层是：四氟乙烯与2，2-双三氟甲基-4，5-二氟-1，3-二氧杂环戊烯的非晶态全氟化共聚物(可以以商品名TEFLON得到)，以及小碳粒子(为提高涂层导电性而添加)，例如可以以商品名得到的那些，在挥发性溶剂例如FC 40、FC 75、FC 3283或PF 5080中。TEFLON涂覆包围碳/催化剂粒子的由于TEFLON到催化剂层中的良好渗透，且由于和TEFLON在化学结构上的相似性，所以在疏水性涂层和催化剂层中碳/催化剂粒子周围的之间有着良好的结合，其是化学结合或机械干涉(mechanical interference)或两者均有。该结合减少了水在催化剂层和由该设置的涂层形成的微孔层之间聚积的能力。在某些情况下，所述涂层可在催化剂层和支撑层之间形成类似结合。其它聚合物(可溶于丙酮)包括可以以商品名和得到的那些。某些可溶性的三元共聚物也可以是适合的。

尽管为了降低电阻而增加电阻层违反直觉，但是由于更好的电接触，本发明的微孔层降低燃料电池的电阻压降约15％-约30％。尽管这一点尚未被充分认识，但据信，大孔层内的碳纤维使微孔层形变并增加界面接触面积。或者，微细碳粒子可以扭变(distort)以更好地接触大孔层的纤维。