专利名称：控制燃料电池电极中的离子交联聚合物和铂的分布的方法
技术领域：
本发明总体上涉及的领域包括用于燃料电池中的电极。
背景技术：
氢气是一种非常具有吸引力的燃料，因为氢气是清洁能源并且能够被用来在燃料 电池中有效地生成电流。汽车工业在发展氢气燃料电池作为车辆的动力源方面付出了很多 努力。这些使用氢气燃料电池作为动力源的车辆与现今应用内燃机的车辆相比会更加高效 且产生更少的排放。氢气燃料电池是电化学装置，其包括阳极和阴极以及在阳极和阴极之间的电解 质。阳极接收富含氢气的气体或纯氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中被分解以 形成自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极，在此处质子与阴极中的氧气和电子发生 化学反应生成水。来自阳极的电子不能够穿过电解质。因此，电子在被送至阴极之前被导 引通过负载以便做功。例如，所述功可用于运转车辆。通常，若干个燃料电池被组合在燃料电池堆中以生成所需动力。燃料电池堆包括 许多双极板。对于前面提到的汽车燃料电池堆来说，所述电池堆可包括大约两百或更多个 双极板。燃料电池堆接收阴极反应气体，通常气流在压缩机的作用下被迫通过电池堆。不 是所有氧气都被电池堆消耗，一部分空气作为阴极废气被输出，阴极废气中可能包含作为 电池堆副产物的液态水。燃料电池堆还接收阳极氢气反应气体，这些氢气反应气体流入电 池堆的阳极侧。
发明内容
本发明的一个实施方式包括一种方法，所述方法包括在基材上施加包括碳的第一 层墨并使所述第一层墨变干以形成第一电极层，在所述第一电极层上施加包含第二催化剂 的第二层墨并使所述第二层墨变干以形成第二电极层，以及在所述第二电极层上施加含有 离子交联聚合物溶液的第三层墨并使所述第三层墨变干以形成离子交联聚合物覆层。方案1、一种方法，包括将包括碳的第一层墨施加到基材上；使所述第一层墨变干以形成第一电极层；将包括碳的第二层墨施加到所述第一电极层上；使所述第二层墨变干以形成第二电极层；将包括离子交联聚合物溶液的第三层墨施加到所述第二电极层上；以及使所述第三层墨变干以形成离子交联聚合物覆层。方案2、如方案1所述的方法，其中，所述第一层墨进一步包括第一催化剂，并且所
述第二层墨进一步包括第二催化剂。方案3、如方案1所述的产品，其中，所述第二电极包括催化剂，而所述第一电极不 含催化剂。
方案4、如方案1所述的方法，其中，所述基材包括贴花衬垫、气体扩散介质层、多 孔层、涂有催化剂的气体扩散介质层或包含催化剂的电极中的至少一种。方案5、如方案1所述的方法，其中，所述基材包括气体扩散介质层，所述气体扩散 介质层包括碳纸或碳毡。方案6、如方案2所述的方法，其中，所述第一催化剂包括钼、钯、钼、钴、钌、镍、锡、 其他钼过渡金属合金或金属化合物中的至少一种。方案7、如方案2所述的方法，其中，所述第二催化剂包括钼、钯、钼、钴、钌、镍、锡、 其他钼过渡金属合金或金属化合物中的至少一种。方案8、如方案2所述的方法，其中，所述第一催化剂在所述第一层墨中以0. 1至 40的重量百分比含量存在。方案9、如方案2所述的方法，其中，所述第二催化剂在所述第二层墨中以40至70
的重量百分比含量存在。方案10、如方案1所述的方法，其中，施加所述第一层墨包括喷涂、浸渍、丝网印 刷、轧制、涂覆或刷光所述第一层墨中的至少一项。方案11、如方案1所述的方法，其中，施加所述第二层墨包括喷涂、浸渍、丝网印 刷、轧制、涂覆或刷光所述第二层墨中的至少一项。方案12、如方案1所述的方法，其中，施加所述第三层墨包括喷涂、浸渍、丝网印 刷、轧制、涂覆或刷光所述第三层墨中的至少一项。方案13、如方案2所述的方法，其中，所述基材包括贴花衬垫。方案14、如方案13所述的方法，进一步包括将所述贴花衬垫、所述第一电极层、所 述第二电极层以及所述离子交联聚合物覆层热压制到聚合电解质膜上，其中，所述离子交 联聚合物覆层面向所述聚合电解质膜。方案15、如方案1所述的方法，其中，所述基材包括气体扩散介质层，在所述气体 扩散介质层上有多孔层，所述多孔层包含碳粒子和疏水粘合剂，并且其中将包括碳的所述 第一层墨施加到所述基材上包括将所述第一层墨沉积在所述多孔层上。方案16、一种产品，包括第一电极层，所述第一电极层被构造和设置为疏水的；第二电极层，所述第二电极层在所述第一电极层上并且具有第一面；以及离子交联聚合物层，所述离子交联聚合物层在所述第二电极的第二面上，并且其 中所述第二电极是亲水的。方案17、如方案16所述的产品，其中，所述第一电极层包括第一催化剂，所述第二 电极层包括第二催化剂，并且催化剂装载量和离子交联聚合物装载量在所述第一电极层和 所述第二电极层合在一起的总厚度上是变化的。方案18、一种包括电极组件的产品，包括第一电极层；第二电极层，所述第二电极层包括催化剂和离子交联聚合物，所述第二电极层在 所述第一电极层上并具有第一面；以及离子交联聚合物层，所述离子交联聚合物层在所述第二电极层的第二面上，其中 所述电极组件被构造和设置为具有斜坡式的离子交联聚合物浓度。
方案19、如方案18所述的产品，其中，所述第一电极层不包含离子交联聚合物。方案20、如方案18所述的产品，其中，所述第一电极层包含第一数量的离子交联 聚合物，而所述第二电极层包含第二数量的离子交联聚合物，并且其中所述离子交联聚合 物层包含第三数量的离子交联聚合物，并且其中所述第三数量大于所述第二数量，并且其 中所述第二数量大于所述第一数量。本发明的其他示例性实施方式将通过下文中提供的对示例性实施方式的详细描 述而变得清楚。应当理解的是，尽管示出了本发明的示例性实施方式，但是这些详细描述以 及具体示例仅是出于举例说明的目的，并非意在限制本发明的范围。
本发明的示例性实施方式将通过下面的详细描述以及附图而被更加充分地理解。图1示出了根据本发明的一个实施方式的一种方法。图2示出了根据本发明的一个实施方式的一种方法。图3示出了根据本发明的一个实施方式的一种方法。图4示出了根据本发明的一个实施方式的一种方法。图5示出了根据本发明的一个实施方式的一种方法。图6示出了根据本发明的一个实施方式的一种方法。图7示出了根据本发明的一个实施方式的基材、第一电极层、第二电极层以及离 子交联聚合物覆层。图8示出了根据本发明的一个实施方式的包括阳极侧和阴极侧的燃料电池的一 部分。
具体实施例方式下面对实施方式的描述本质上仅仅是示例性的，并且绝不意味着限制本发明以及 本发明的应用或使用。在本发明的一个实施方式中，提供了一种方法，通过该方法可以生产电极和膜电 极组件，在该电极和膜电极组件中，离子交联聚合物装载量和钼催化剂装载量在整个厚度 上可以变化。在图1中示出的本发明的一个实施方式中，第一层墨被施加到基材18上，并且使 第一层墨变干以在基材18上形成具有催化剂的第一电极层12。施加第一层墨可包括喷涂、 浸渍、丝网印刷、轧制、涂覆或刷光第一层墨中的至少一项。基材18可包括贴花衬垫(decal backing)、气体扩散介质层、多孔层、涂有催化剂的气体扩散介质层或包含催化剂的电极中 的至少一种。例如，基材18可以是贴花衬垫。贴花衬垫可以是膨体聚四氟乙烯(ePTFE)贴 花材料。第一层墨可以制备成使得干燥后的第一电极层12是相对疏水的。 第一层墨可以不包含催化剂，或者第一层墨可以包含碳载体和重量百分比相对较 低的催化剂粉末，例如重量百分比为0. 1至40的催化剂粉末。在一个实施方式中，第一层 墨中的催化剂可以是钼。例如，第一层墨可包含重量百分比为20的钼催化剂粉末。在另一 个实施方式中，基材18可以是电极并且可以基本上由碳(例如纯碳)组成，或者可以基本 上由碳和粘合剂组成且实质上不含催化剂。
如图2所示，第二层墨被施加到第一电极层12上。施加第二层墨可包括喷涂、浸 渍、丝网印刷、轧制、涂覆或刷光第二层墨中的至少一项。第二层墨被干燥以形成具有催化 剂的第二电极层14。第二层墨可制备成使得干燥后的第二电极层14是相对亲水的。第二 层墨可包含重量百分比相对较高的催化剂粉末，例如重量百分比为40至70的催化剂粉末。 第二层墨中的催化剂粉末的百分比可比第一层墨中的催化剂粉末的百分比更高。在一个实 施方式中，第二层墨中的催化剂可以是钼。在一个实施方式中，第一电极层12和第二电极层14可包含一组支撑细碎的催化 剂粒子的细碎的微粒。催化剂粒子可包括金属，诸如钼、钯，还可以包括金属混合物，诸如钼 和钼的混合物、钼和钴的混合物、钼和钌的混合物、钼和镍的混合物、钼和锡的混合物、其他 的钼过渡金属合金、金属化合物，还可以包括本领域中熟知的其他燃料电池电催化剂。催化 剂可以具有载体或者可以没有载体。载体粒子是导电的并且可包括碳。载体粒子可包括但 不限于活性碳、碳毫微管、碳化纤维、细孔碳的导电大分子以及具有合适的表面积来支撑催 化剂的其他导电粒子。在一个实施方式中，第一电极12可以不包含催化剂。现在参考图3，包括离子交联聚合物溶液的第三层墨在第二电极层14变干之后被 施加到第二电极层14上。第三层墨可包括质子传导材料，诸如全氟磺酸聚合物。例如，第 三层墨可包括离子交联聚合物溶液。离子交联聚合物的含量可以改变。在一个实施方式中， 第三层墨可包括重量百分比为5的离子交联聚合物溶液。施加第三层墨可包括喷涂、浸渍、 丝网印刷、轧制、涂覆或刷光第三层墨中的至少一项。第三层墨可被干燥以在第二电极层14 上形成离子交联聚合物覆层16。第三层墨可以被设计为能够浸湿并渗透第二电极层14但 是不能够浸湿并渗透第一电极层12。第一电极层12中的离子交联聚合物的量仅可能来自 于第一层墨的配制而不能来自于离子交联聚合物覆层16。第三层墨的离子交联聚合物含量 可以被选择为使得能够实现第二电极层14中所需的离子交联聚合物含量。根据如图4所示的本发明的一个实施方式，聚合电解质膜20被置于离子交联聚合 物覆层16之上。基材18可以是贴花衬垫。基材18、第一电极层12、第二电极层14、离子交 联聚合物覆层16以及聚合电解质膜20可以是热压制的，并且基材18可以被脱去以生成如 图5所示的最终结构。根据另一个实施方式，多孔层24可以被施加到气体扩散介质层22上。如图6所 示，第一电极层12可以被施加在多孔层24和气体扩散介质层22上，使得多孔层24面向第 一电极层12。在一个实施方式中，第一电极层12可以被直接施加到微孔层24上。在另一 个实施方式中，没有多孔层24，气体扩散介质层22可以被施加到第一电极层12上。第一 电极层12可包含比第二电极层14更少量的离子交联聚合物。通过保持在扩散介质22附 近的离子交联聚合物的低数量，大量运输(masstransport)可以得到改善。第二电极层14 可以具有比第一电极层12更大量的催化剂，例如钼。在聚合电解质膜20附近的钼的较高 浓度可以改善对催化剂的利用。在气体扩散介质层22附近和在聚合电解质膜20附近出现 的离子交联聚合物的实际数量可以被独立控制。在扩散介质22附近和在聚合电解质膜20 附近出现的钼的实际数量也可以被独立控制。与上述实施方式一致，包含20重量百分比的钼催化剂粉末的第一层墨被施加到 包括ePTFE贴花材料的贴花衬垫上。当包含5重量百分比的离子交联聚合物溶液的第三层 墨(可从Asahi Kasei公司获得)被滴到干燥了的第一层墨上时，ePTFE没有变湿，这意味着离子交联聚合物溶液没有渗过该电极层的整个厚度。然而，当使用由50重量百分比的钼 催化剂粉末制备的电极进行相同的测试时，ePTFE很快就变湿。现在参考图7，本发明的一个实施方式可包括一种产品10，产品10包括在基材18 上的具有催化剂的第一电极层12。基材18可包括贴花衬垫、气体扩散介质层、多孔层、涂有 催化剂的气体扩散介质层或包含催化剂的电极中的至少一种。在一个实施方式中，基材18 是贴花衬垫。具有催化剂的第二电极层14可以覆盖在第一电极层12的上面。第一电极层 12是相对疏水的，而第二电极层14是相对亲水的。离子交联聚合物覆层16被提供在第二 电极层14上。在一个实施方式中，催化剂装载量和离子交联聚合物装载量在第一电极层和 第二电极层合在一起的总厚度上是变化的。图8示出了根据本发明的另一个实施方式的产品10，图中所示包括一部分燃料电 池堆，燃料电池堆包括聚合电解质膜20。在阳极侧15a上，离子交联聚合物覆层16a被置于 聚合电解质膜20与具有催化剂的第二电极层14a之间。具有催化剂的第一电极层12a覆 盖在第二电极层14a之上。可选的多孔层24a覆盖在第一电极层12a上。气体扩散介质层 22a覆盖在多孔层24a或第一电极层12a上。第一双极板26a覆盖在阳极气体扩散介质层 22a上。第一双极板26a包括第一面28a，第一面28a包括限定在其中的多个凸台30a和通 道32a以提供反应气体流场。第一双极板26a可包括第二面34a，第二面34a包括形成在其 中的冷却通道36a。类似地，在阴极侧15c上，离子交联聚合物覆层16c被置于聚合电解质膜20与具 有催化剂的第二电极层14c之间。第一电极层12c包含碳并且可包括也可不包括催化剂， 第一电极层12c位于第二电极层14c之下。第一电极层12c可以基本上由碳(例如纯碳) 组成或者可以基本上由碳和粘合剂组成且实质上不含催化剂。可选的多孔层24c位于第一 电极层12c之下。气体扩散介质层22c位于多孔层24c或第一电极层12c之下。第二双极 板26c位于阴极气体扩散介质层22c之下。第二双极板26c包括第一面28c，第一面28c包 括限定在其中的多个凸台30c和通道32c以提供反应气体流场。第二双极板26c可包括第 二面34c，第二面34c包括形成在其中的冷却通道36c。在一个实施方式中，在阳极侧15a 或阴极侧15c中的至少一个上，催化剂装载量和离子交联聚合物装载量在第一电极层和第 二电极层合在一起的总厚度上是变化的。对本发明的实施方式的上述描述本质上仅是示例性的，因此它们的变型将不被认 为是背离了本发明的精神和范围。
权利要求
一种方法，包括将包括碳的第一层墨施加到基材上；使所述第一层墨变干以形成第一电极层；将包括碳的第二层墨施加到所述第一电极层上；使所述第二层墨变干以形成第二电极层；将包括离子交联聚合物溶液的第三层墨施加到所述第二电极层上；以及使所述第三层墨变干以形成离子交联聚合物覆层。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一层墨进一步包括第一催化剂，并且所述第 二层墨进一步包括第二催化剂。
3.如权利要求1所述的产品，其中，所述第二电极包括催化剂，而所述第一电极不含催 化剂。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述基材包括贴花衬垫、气体扩散介质层、多孔层、 涂有催化剂的气体扩散介质层或包含催化剂的电极中的至少一种。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述基材包括气体扩散介质层，所述气体扩散介质 层包括碳纸或碳毡。
6.如权利要求2所述的方法，其中，所述第一催化剂包括钼、钯、钼、钴、钌、镍、锡、其他 钼过渡金属合金或金属化合物中的至少一种。
7.如权利要求2所述的方法，其中，所述第二催化剂包括钼、钯、钼、钴、钌、镍、锡、其他 钼过渡金属合金或金属化合物中的至少一种。
8.如权利要求2所述的方法，其中，所述第一催化剂在所述第一层墨中以0.1至40的 重量百分比含量存在。
9.一种产品，包括第一电极层，所述第一电极层被构造和设置为疏水的； 第二电极层，所述第二电极层在所述第一电极层上并且具有第一面；以及 离子交联聚合物层，所述离子交联聚合物层在所述第二电极的第二面上，并且其中所 述第二电极是亲水的。
10.一种包括电极组件的产品，包括 第一电极层；第二电极层，所述第二电极层包括催化剂和离子交联聚合物，所述第二电极层在所述 第一电极层上并具有第一面；以及离子交联聚合物层，所述离子交联聚合物层在所述第二电极层的第二面上，其中所述 电极组件被构造和设置为具有斜坡式的离子交联聚合物浓度。
全文摘要
本发明涉及控制燃料电池电极中的离子交联聚合物和铂的分布的方法。具体而言，本发明的一个实施方式包括一种方法，所述方法包括在基材上施加包括碳的第一层墨并且使所述第一层墨变干以形成第一电极层，在所述第一电极层上施加包含第二催化剂的第二层墨并且使所述第二层墨变干以形成第二电极层，以及在所述第二电极层上施加含有离子交联聚合物溶液的第三层墨并且使所述第三层墨变干以形成离子交联聚合物覆层。
文档编号H01M4/88GK101986450SQ20101024333
公开日2011年3月16日 申请日期2010年7月28日 优先权日2009年7月28日
发明者M·M·费 申请人:通用汽车环球科技运作公司