[发明专利]用于对燃料电池电极中离聚物空间分布进行成像的方法

说明书

技术领域

本发明通常涉及评价在燃料电池电极中离聚物空间分布的方法，尤其涉及评价在燃料电池MEA中离聚物空间分布的方法，该方法包括将MEA包埋到环氧树脂中，将MEA切片，然后将切下的片暴露在四氯化钛蒸气中从而对MEA中的非离聚物材料着色。

背景技术

由于氢的清洁性并且可以在燃料电池中高效地产生电，因此它是非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是电化学装置，其包括阳极、阴极以及夹在二者之间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中离解以产生自由的氢质子和电子。氢质子通过该电解质到达阴极。氢质子在负极中与氧气和电子反应生成水。来自阳极的电子不能通过电解质，而是在传送到阴极之前通过负载做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用在车辆上的很流行的燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括被分得很细的催化颗粒，通常是铂(Pt)，其被支撑在碳颗粒上并与离聚物混合。催化混合物沉积在膜的相对侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA制造起来较贵并且为了有效操作需要某些条件。

多个燃料电池通常组合在燃料电池堆中产生所需要的电力。例如，典型的用于汽车的燃料电池堆可以具有二百个或更多个堆在一起的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是由压缩机强迫推过堆的空气流。堆并没有消耗所有的氧气，一些空气作为阴极废气被输出，所述阴极废气可以包括作为堆的副产物的水。燃料电池堆还接收流入堆的阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆包括一系列位于堆中所述数个MEA之间的双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括针对堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧上提供阳极气体流动通道，允许阳极反应物气体流到各自的MEA。在双极板的阴极侧上提供阴极气体流动通道，其允许阴极反应物气体流到各自的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板都由传导性材料(conductive material)制成，例如不锈钢或者传导性复合物。端板将由燃料电池生成的电导出所述堆。双极板还包括冷却流体流过的流动通道。

在MEA领域中公知在聚合物电解质膜上涂覆催化剂层。催化剂层可以直接沉积在膜上，或者通过首先在贴花基底(decal substrate)上涂覆催化剂间接地施加到膜上。通常通过轧制工艺将催化剂以浆料形式涂覆在贴花基底上。然后通过热压步骤将催化剂转移到膜上。这种类型的MEA制造工艺有时称作催化剂涂覆膜(CCM)。

在将催化剂涂覆在贴花基底上之后，离聚物层通常在催化剂转移到膜之前喷涂在催化剂层上。由于催化剂和膜都包括离聚物，所以离聚物喷涂层在催化剂和膜之间提供了更好的接触，这是由于其减少了催化剂和膜之间的接触阻抗(contact resistance)。这样增加了膜和催化剂之间的质子交换，从而改进了燃料电池的性能。

贴花基底可以是多孔膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)贴花基底。然而，ePTFE基底很贵并且不可重复利用。尤其是，当催化剂转移到ePTFE基底上的膜时，催化剂或者催化剂组分的一部分留在了ePTFE基底上。另外，ePTFE基底拉伸、变形以及吸收溶剂，使得清洁步骤非常困难。因此，用于制造每个阳极和阴极的每一ePTFE基底被抛弃。

贴花基底还可以是非多孔的乙烯-四氟乙烯(ETFE)贴花基底。ETFE贴花基底为基底提供了催化剂和离聚物的最小损失，因为实质上所有的涂层都被贴花转移(decal transferred)。基底不变形并且可以重复利用。对于这两种工艺，阳极和阴极贴花基底都被切割到最终电极大小的尺寸，然后热压到全氟化膜上，随后，剥离该贴花基底。

如上所述，MEA包括支撑在碳颗粒上的铂与离聚物混合的混合物。离聚物具有封装碳颗粒的倾向，有时覆盖铂颗粒。为了优化MEA的性能，必须最优化构成MEA的混合物。因此，可能必需区分MEA中的各种材料，例如碳颗粒的大小、铂颗粒的分布、离聚物的量、各种材料之间的孔隙的大小和形状，等等。一种特殊的需要就是出于MEA优化目的识别在燃料电池电极中离聚物的空间分布。另外，合意的是在MEA中最小化铂的数量，因为其昂贵。而且，由于所述不同的材料包括一些相同的成分，例如碳，所以通过显微镜观察时很难区分它们。

发明内容