[发明专利]具有整合的增强层的电极组件

说明书

相关申请说明

本申请是2008年1月11日申请的美国专利申请系列No.11/972817，标题为“Method of Making a Proton Exchange Membrane Using a Gas Diffusion Electrode as a Substrate”的部分继续申请案，其在此引入作为参考。

技术领域

本发明总地涉及燃料电池，更具体地涉及增强燃料电池中所用的聚合物膜和涉及制造增强的聚合物膜由此使得这样的膜的结构性能得到增强的方法。

背景技术

燃料电池，也称作电化学转化电池，通过加工反应物例如通过氢气和氧气的氧化和还原反应来产生电能。氢气是一种非常吸引人的燃料，因为它是清洁的，并且它能够用于在燃料电池中有效地产生电。汽车工业已经花费了大量的资源用于开发作为车辆的动力源的氢燃料电池。通过氢燃料电池提供动力的车辆较之目前使用内燃机的车辆更加高效，并且产生的排放物更少。

在典型的燃料电池系统中，氢气或富氢气体作为反应物通过流路供给到燃料电池的阳极侧，而氧气(例如处于大气氧气的形式)作为反应物通过分开的流路供给到燃料电池阴极侧。催化剂(通常呈贵金属，例如铂，的形式)被置于阳极和阴极上，以促进反应物向电子和带正电荷的离子(对于氢气来说)以及带负电荷的离子(对于氧气来说)的电化学转化。在一种公知的燃料电池形式中，阳极和阴极可以由导电的气体扩散介质(GDM)材料的层制成，在其上沉积催化剂来形成催化剂包覆的扩散介质(CCDM)。电解质(也称作离聚物、质子传导性或质子导电性)层将阳极与阴极分开，使得阳离子从阳极向阴极选择性通过，同时阻止所产生的电子的通过，代之以被迫流过外部导电回路(例如负载)作有用功后在阴极处与带电离子重新结合。阳离子和阴离子在阴极处的结合导致作为该反应的副产物产生非污染的水。在另外一种公知的燃料电池形式中，该阳极和阴极可以直接形成在电解质层上，构成被称作阴极包覆膜(CCM)的结构。不管所述构造是CCDM基的还是CCM基的，所形成的附着在质子传导性介质的一个或两个相对面上的一种或多种电极的组合被称作膜电极组件(MEA)。

一种特别的燃料电池构造，被称作质子交换膜或聚合物电解质膜(在任何一种情况下，PEM)燃料电池，已经表现出特别适于车辆和相关的移动应用。质子传导性膜(其构成了PEM燃料电池的电解质层)是固体形式(例如离聚物的全氟磺酸(PFSA)层，它的一个市售品的例子是Nafion^?)。上述的MEA当配置来通过适当的流路(例如来自双极板或其它流体传输装置)接受反应物时，形成了单个的PEM燃料电池；许多这样的单电池可以组合起来形成燃料电池堆，这提高其功率输出。多个堆可以联接在一起以进一步提高功率输出。

 虽然有进步，但是现有PEM燃料电池技术的一个问题是由自持性电解质层来形成MEA是很昂贵的。

发明内容

根据本发明的教导的一个方面，公开了一种制造MEA的方法，其包括提供第一CCDM，将第一离聚物溶液涂覆到该CCDM上以致形成第一湿离聚物层，将多孔增强层施加到该湿离聚物层上以致该湿离聚物层浸渍至少一部分该增强层，和干燥该带有浸渍的增强层的湿离聚物层，以形成PEM层。MEA的概念，虽然传统上理解为包括附着在膜上的两种电极(即，阳极和阴极)，但是其在本发明中扩展到还包括含有仅仅一个的电极和所述膜的组件的亚组；讨论中的该变体的性质将从上下文中变得显而易见。

任选地，可以将第二离聚物溶液沉积或以其它形式形成在第二CCDM上，以形成第二湿离聚物层；与上述第一湿离聚物层一样，该第二湿离聚物层可以与第一湿离聚物层基本上同时或在其之后进行干燥。同样，一旦干燥，该第二离聚物层就可以通过热压、层合或相关方法结合到增强的PEM层和第二CCDM中的一个或两者上。在另一形式中，第二离聚物溶液可以沉积在已经浸渍有增强层的第一湿离聚物层上。可将电极附着和固定到第一或第二干燥的离聚物层上。在该第一和第二溶液中的离聚物可以相同或不同，其任一或二者可以包含溶剂。同样，该离聚物可以基于磺酸化的聚醚酮、芳基酮、聚苯并咪唑、PFSA、全氟环丁烷(PFCB)等，而该离聚物溶液进一步可以包含化学降解缓解剂来降低对质子交换膜层的化学损害的可能性。如上所述，该多孔增强层可以由聚合物膜、机织织物或其组合来制成。

根据本发明的另一方面，公开了一种整合增强的MEA。在一种实施方案中，电极组件包括CCDM和在该CCDM上的增强的PEM层，其中PEM层和CCDM之间的增强关系来源于该原本非结构性自持性离聚物和多孔增强层的整合结合。