[发明专利]具有多层阴极的燃料电池膜电极组件

说明书

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求于2008年12月22日提交的美国临时专利申请No.61/139925的优先权，其公开内容全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及具有多层阴极的聚合物电解质膜燃料电池膜电极组件，其中更靠近聚合物电解质膜的阴极第一层比阴极第二层更亲水，第二层距离聚合物电解质膜更远。

发明内容

简而言之，本发明提供了一种燃料电池膜电极组件，其包括：i)具有第一和第二面的聚合物电解质膜；ii)支撑在聚合物电解质膜第一面上的阳极催化剂层；iii)支撑在聚合物电解质膜第二面上的第一阴极催化剂层，该第一阴极催化剂层包含第一阴极催化剂材料和第一聚合物电解质；以及iv)支撑在第一阴极催化剂层上的第二阴极催化剂层，该第二阴极催化剂层包含第二阴极催化剂材料和第二聚合物电解质；其中第一阴极催化剂层比第二阴极催化剂层更亲水。在一些实施例中，第一聚合物电解质具有第一当量重量，第二聚合物电解质具有第二当量重量，并且第一当量重量小于第二当量重量，典型地小于第二当量重量的85％，在一些实施例中小于第二当量重量的70％。在一些实施例中，第一当量重量为1050或更小，更典型地为1000或更小，更典型地为950或更小，更典型地为900或更小，更典型地为850或更小，并且最典型地为800或更小。典型地，第一阴极催化剂层紧邻聚合物电解质膜的第二面。典型地，第二阴极催化剂层紧邻第一阴极催化剂层。典型地，第一阴极催化剂材料的重量与第二阴极催化剂材料的重量的比例为1∶4到4∶1，更典型地为1∶2到2∶1。典型地，第一和第二聚合物电解质为高度氟化的，更典型地为全氟化的。第一和第二聚合物电解质可包含根据下式的侧基：-O-CF₂-CF₂-CF₂-CF₂-SO₃H。

在另一方面，本发明提供了一种制备燃料电池膜电极组件的方法，其包括以下步骤：i)提供具有第一和第二面的聚合物电解质膜；ii)将第一阴极催化剂层施加到聚合物电解质膜的第二面上，该第一阴极催化剂层包含第一阴极催化剂材料和具有第一当量重量的第一聚合物电解质；以及iii)将第二阴极催化剂层施加到第一阴极催化剂层上，该第二阴极催化剂层包含第二阴极催化剂材料和具有第二当量重量的第二聚合物电解质；其中第一阴极催化剂层比第二阴极催化剂层更亲水。在一些实施例中，该方法还可以包括以下步骤：iv)在步骤iii)前将第二阴极催化剂层施加到气体扩散层上，以制备催化剂涂覆的背衬；并且其中步骤iii)包括将催化剂涂覆的背衬施加到第一阴极催化剂层上。在一些实施例中，该方法还可以包括以下步骤：v)将阳极催化剂层施加到聚合物电解质膜的第一面上。在该方法的一些实施例中，第一当量重量小于第二当量重量，典型地小于第二当量重量的85％，在一些实施例中，小于第二当量重量的70％。在一些实施例中，第一当量重量为1050或更小，更典型地为1000或更小，更典型地为950或更小，更典型地为900或更小，更典型地为850或更小，并且最典型地为800或更小。典型地，第一阴极催化剂层紧邻聚合物电解质膜的第二面。典型地，第二阴极催化剂层紧邻第一阴极催化剂层。典型地，第一阴极催化剂材料的重量与第二阴极催化剂材料的重量的比例为1∶4到4∶1，更典型地为1∶2到2∶1。典型地，第一和第二聚合物电解质为高度氟化的，更典型地为全氟化的。第一和第二聚合物电解质可包含根据下式的侧基：-O-CF₂-CF₂-CF₂-CF₂-SO₃H。