[发明专利]具有低表面离聚物浓度的膜电极组件

说明书

技术领域

本发明的公开内容总的说来涉及的领域包括电化学燃料电池及用于燃料电池中的膜电极组件(MEA)。

背景技术

燃料电池是从燃料气体如氢和甲醇来电化学发电的有效能量装置，其几乎不具有有害排放。然而，工业上所面对的挑战是试图在商业上采用这种装置。一些挑战包括制造具有高能量密度和可靠性的燃料电池的简单和经济的方法。聚合物电解质膜燃料电池是能够有可能满足商业挑战的最有前途的燃料电池类型之一。聚合物电解质膜燃料电池通常由通过双极板和气流通道隔开的多个膜电极组件(MEA)堆组成。每个膜电极组件均由阳极、阴极和夹在阳极和阴极之间的聚合物电解质膜组成。MEA的阳极和阴极典型地包含通过粘合剂和/或离聚物电解质结合在一起的催化剂和电导体。传统的电极构造方法固有地导致离聚物在电极表面上过量，这妨碍了气体扩散到电极中的催化剂中来进行电化学反应。由于气体扩散速度的限制，电极表面上过量的离聚物导致燃料电池电压输出的明显降低，尤其是在高电流密度时。减轻这种问题的可选电极构造方法可能需要额外步骤和额外费用。因此，需要构造膜电极组件的简单和廉价的方法以及在电极表面上具有低离聚物浓度的燃料电池。

发明内容

在一个实施方式中，用于燃料电池的膜电极组件(MEA)包括聚合物电解质膜，在该膜的两个相对侧的每一个上均具有至少一个电极层。该电极层包括催化剂、导电性颗粒材料和离聚物粘合剂。MEA外表面上的离聚物粘合剂浓度低于电极/膜接触面附近的离聚物粘合剂浓度。电极层可以通过在无孔释放表面和多孔可释放贴花纸(decal)之间浇铸并干燥溶剂墨水层来形成。

本发明的另一个实施方式包括制造膜电极组件的方法，该方法包括：在无孔释放表面上浇铸包含挥发性溶剂、催化剂、导电性颗粒材料和离聚物粘合剂的溶剂墨水层；在溶剂墨水层上方配置多孔的可释放贴花纸；干燥以便从溶剂墨水层去除挥发性溶剂，以形成电极层；将电极层与贴花纸一起从无孔释放表面上剥离；提供具有两侧的聚合物电解质膜；在具有与该膜紧密接触的电极层的膜的两侧中的每一侧上对电极层和贴花纸共同进行压制；使电极层牢固地粘合到膜上；和从电极层上去除该可释放的贴花纸。

本发明的其它示例性实施方式将从以下提供的详细说明而变得显而易见。应理解尽管这些详细说明和具体实施例披露了本发明的示例性实施方式，但它们仅意图用于举例说明的目的，而并非意图限制本发明的范围。

附图说明

本发明的示例性实施方式将通过以下详细说明和附图而被更完整地理解，其中：

图1是根据本发明一个实施方式的MEA的截面图。

图2是在无孔释放表面和多孔可释放贴花纸之间形成的电极层的示意图，在该示意图中还显示了在电极层整个厚度尺寸上的离聚物粘合剂的浓度分布。

图3是从无孔释放表面上一起剥离的多孔可释放贴花纸和电极层的示意图。

图4是被压制在聚合物电解质膜两侧上的两组组合的多孔可释放贴花纸和电极层的示意图。

图5是正在从电极层上剥离以形成MEA的两层多孔可释放贴花纸层的示意图。

具体实施方式

以下对实施方式的描述在本质上仅是示例性的，并且完全没有意图限制本发明、其应用或用途。

根据本发明一个实施方式的MEA的截面图如图1所示。聚合物电解质膜20被夹在两个电极层之间。位于聚合物电解质膜20左侧的电极层代表阳极，在这里燃料气体氢通过失去两个电子而被电化学氧化为质子离子。质子离子通过聚合物电解质膜20而被输送到阴极，即膜右侧的电极层。氧(或空气)扩散到阴极层，通过产生产物水的电化学还原反应与质子离子结合。在阴极上产生的水通常通过阴极表面上的气体流被带走。在该电化学过程中产生电，其中电子在阳极上产生并在阴极上消耗。

聚合物电解质膜20是离子交换树脂膜。所述树脂在其聚合结构中包含离子基团；其中的一种离子组分被聚合物基体所固定或保留，且至少一种其它离子组分是与所述固定组分静电联系的移动可替换离子。移动离子在合适条件下被其它离子替换的能力为这些材料赋予了离子交换特性。

离子交换树脂可以通过使多种成分(其中之一包含离子组分)的混合物聚合来制备。一大类质子传导性的阳离子交换树脂是所谓的磺化聚合物阳离子交换树脂。在磺化聚合物膜中，阳离子离子交换基团是与聚合物主链共价连接的水合磺酸基团。