[发明专利]用于膜电极组件制造的方法以及膜电极组件

说明书

技术领域

本发明总体涉及燃料电池，并且具体地，涉及用于制作膜电极组件的方法以及膜电极组件。

背景技术

电化学转化电池，通常被称为燃料电池，其通过处理第一和第二反应物（例如通过氢气和氧气的氧化和还原）产生电能。通过示例而不是限制的方式，典型的聚合物电解质燃料电池包括位于一对气体扩散介质（DM）层和催化剂层之间的聚合物膜（例如，质子交换膜（PEM））。阴极板和阳极板（或双极板BPP）位于与气体扩散介质层相邻的最外侧，而前面的部件被紧密压缩形成电池单元。

催化剂层可被附着到PEM形成膜电极组件（MEA）。形成MEA的一种方法涉及通过在垫片框架中直接喷涂或涂覆在PEM上沉积电极墨。由于PEM变潮湿时的渐变（creeping），该方法通常难以控制。替代地，电极可被形成在贴花（decal）上并被转移到PEM。通常，粉末催化剂和离聚物溶液被分散在混合溶剂中，该混合溶剂取决于催化剂的类型通常包含特定比率的一种或多种醇和水。然后，在涂覆在贴花衬底上之前，该混合物通过球磨研磨2到3天得以均匀化。对于垫片涂覆，催化剂装填可以通过垫片的厚度来控制；对于迈尔（Mayer）杆涂覆，催化剂装填可以通过进程数量来控制。对于较高催化剂装填，可以施加多个涂层，每两个连续涂层之间有干燥步骤。在涂有催化剂/离聚物的贴花变干之后，催化剂/离聚物然后通过热压而转移到PEM上形成MEA。阳极和阴极可被同时热压到PEM上。热压的压力和时间可以取决于MEA的不同类型而变化。替代地，催化剂/离聚物墨能够被涂覆在扩散介质上，随后在变干后被热压到PEM上。

电极墨通常包含离聚物、诸如异丙醇、乙醇等的有机溶剂、以及电催化剂。可以在电极墨中并入附加材料来增加电极性能鲁棒性。如果需要的话，可以在电极墨中并入离子传导部件。如果需要的话，可以在电极墨中并入疏水性颗粒（例如PTFE）来改善电极水管理能力。如果需要的话，也可以在电极墨中并入石墨或无定形碳粉末或纤维、其他耐用颗粒、或者像碳上支持的Pt的其他电催化剂，来增加电极水存储能力。

诸如高表面积碳（HSC）和石墨化碳的碳基电极，通常包括可以充当催化剂和/或催化剂载体的碳、可选的金属催化剂、以及作为粘结剂和离子导体的离聚物。

当在MEA中使用碳基电极时，浆料裂隙、不均匀涂覆和贴花转移是艰难的挑战，特别是需要超厚电极（例如，大约12微米或以上）时。浆料裂隙或不均匀电极对MEA的性能和耐久性有不利影响。

已经开发了减少浆料裂隙的方法，包括使用高沸点溶剂、向催化剂墨添加酸、以及将催化剂与碳纤维混合。一般地，这些添加剂在球磨研磨前被添加到电极墨。例如，高沸点溶剂可以是乙二醇、乙二醇醚或诸如丙二醇丁基醚（PGBE）的乙二醇酯等。添加剂酸可以是稀释的硝酸。然而，使用高沸点溶剂和酸添加剂对电极有电位毒害影响，而使用碳纤维则增加了电池短路和交联的风险。

因此，需要一种使用诸如碳基电极的非贵金属催化剂或厚电极制造MEA而没有浆料裂隙或者不增加短路或交联风险的方法。

发明内容

本发明满足这种需要。在一个实施例中，提供了一种制造膜电极组件的方法。该方法包括：在贴花衬底上沉积电极墨层；部分干燥电极墨来形成电极层；以及将部分干燥的电极层热压至膜以形成膜电极组件。

本发明的另一方面涉及一种膜电极组件。膜电极组件包括：聚合物膜；以及在该聚合物膜的相对侧上的一对无裂隙电极层，该对电极层的每一个具有至少约50微米的厚度。

本发明还提供了以下方案：

1.一种制造膜电极组件的方法，包括：

在贴花衬底上沉积电极墨层；

部分干燥所述电极墨来形成电极层；以及

将部分干燥的电极层热压至膜以形成所述膜电极组件。

2.根据方案1所述的方法，其中，所述电极墨被沉积在垫片框架中。

3.根据方案1所述的方法，其中，所述垫片框架由聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、ETFE或不锈钢制成。

4.根据方案1所述的方法，其中，至少两个电极墨层被沉积在所述贴花衬底上。

5.根据方案3所述的方法，其中，在沉积下一个电极墨层之前，每个电极墨层被部分干燥。

6.根据方案1所述的方法，其还包括施加真空，同时干燥所述电极墨，或者同时热压部分干燥的电极墨层，或两者兼而有之。

7.根据方案1所述的方法，其中，所述电极层的厚度是至少约12微米。

8.根据方案1所述的方法，其中，所述电极层的厚度是至少约50微米。