[发明专利]具有增强疏水性的膜电极组件及其制造方法

说明书

本发明公开了具有增强疏水性的膜电极组件及其制造方法。具体而言，使用等离子体刻蚀在构成膜电极组件的催化剂层的表面上的催化剂载体中形成具有高高宽比的纳米图案。之后在形成于催化剂载体中的纳米图案上形成疏水薄膜。

技术领域

本发明涉及一种具有增强疏水性的膜电极组件及其制造方法。更具体地，本发明涉及一种具有增强疏水性的膜电极组件，其通过在催化剂层的表面催化剂载体中形成具有高高宽比的纳米图案（pattern）而使催化剂层的表面积最大化以向催化剂层的表面提供超疏水性，并通过在其表面上涂覆疏水薄膜来增加疏水性。

背景技术

在聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）中用于产电的电化学反应中，供应到阳极（其为氧化电极）的氢被分成电子和质子（其为氢离子）。质子经由聚合物电解质膜移动到阴极（其为还原电极），并且电子经由外电路移动到阴极。在阴极中，氧分子、质子和电子互相反应以产生电、热和作为副产物的水。

用于PEMFC中的膜电极组件（MEA）通常包括聚合物电解质膜以及阳极与阴极的催化剂层。聚合物电解质膜可以包括全氟磺酸（PFSA）和具有多种结构的烃类离聚物。

催化剂层通常包括催化剂，该催化剂包括：使用铂（Pt）作为基材的单一金属、或二元或三元合金；催化剂载体，用于担载催化剂；以及粘合剂，用于混合催化剂与催化剂载体。具体而言，作为催化剂载体，通常使用因其充足的导电性、比表面积和耐久性而可以在PEMFC工作环境下稳定使用的碳粉，例如碳黑。

这样的碳粉的实例包括但不限于，来自Corp的XC72R和Black2000、来自Ketjen Black International的EC300J和EC600JD、来自的Shawinigan以及来自的Denka同时，近年来，对于使用碳纳米管（CNT）和碳纳米纤维（CNF）作为催化剂载体以增加燃料电池的性能和耐久性的反应面增加材料以及其它例如纳米结构薄膜（NSTF）的材料进行了大量研究。

当燃料电池中电化学反应过程中所产生的水适当地存在时，水发挥着保持聚合物电解质膜湿度的理想作用。然而，当存在多余的水且水没有被适当地移除时，可能在高电流密度时发生“溢流（flooding）”。该溢流可能阻碍反应气体被有效地供应至燃料电池，引起更大的电压损失。

具体而言，当通过MEA阴极中的氧化还原反应（ORR）来产生水并且MEA催化剂层具有亲水性或低疏水性时，在ORR过程中产生的水可能不会被适当地排放，导致物质运输损耗，其限制大气氧对电解质膜的平稳供应并因此降低燃料电池的性能。而且，当与阳极相比，阴极中产生的水连续增加时，可能发生水从阴极向阳极的反扩散，这也会引起阳极中的溢流并因此阻碍氢经由阳极催化剂层被供应至电解质膜。

因此，理想的是阴极和阳极的催化剂层均具有高疏水性，使得从燃料电池的电化学反应中产生的水可以被平稳排放。

尽管典型材料例如碳黑、CNT、CNF和NSTF可以使MEA催化剂载体具有某一水平的疏水性，但是使用该MEA催化剂载体制造的MEA催化剂层关于水通常具有150度或更少的接触角，并且最多具有120度至140度的疏水性。因而，存在的限制是，该MEA催化剂层的排水性能并没有应该或需要的那么好。

而且，据报道，在碳黑上进行六氟乙烷（C₂F₆）射频（RF）等离子体刻蚀。具体而言，Vulcan XC-27粉被用作催化剂载体，以向表面引入三氟甲基（CF₃）官能团，因此碳黑自身的接触角从70度增加到156度。

然而，还没有报道过当经表面处理的碳黑被用于制造实际MEA的催化剂层时实际催化剂层的接触角以及MEA催化剂层中表面结构的保持稳定性。而且，由于在催化剂载体的原始碳材料上进行等离子体表面处理，并且碳材料还可以作为催化剂层，因此在实际的MEA催化剂层中可能不能充分地实现催化剂载体的疏水表面结构。