[发明专利]通过向膜直接喷射催化剂所制备的膜电极组件

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明大体上涉及用于质子交换燃料电池(PEMFC)的膜电极组件(MEA)，更具体地说，本发明涉及用于PEMFC的MEA，其中MEA的阳极催化剂层和/或阴极催化剂层被喷射在质子传导膜上。

2.相关技术的阐述

氢是极具吸引力的燃料，因为它是清洁燃料，而且可用于在燃料电池中高效地产生电能。汽车工业花费大量资源来开发氢燃料电池以作为汽车的动力源。这样的汽车会更加高效，并且与现今使用内燃机的汽车相比所产生的排放物更少。

氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极以及在这两者之间的电解质。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极被分解而产生自由的氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子发生反应以生成水。来自阳极的电子无法通过电解质，因此在被发送到阴极之前被引导通过负载，来进行做功。所做的功用于开动汽车。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是常见的用于汽车的燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极一般包括支撑在碳颗粒上并与离聚物相混合的细小催化微粒，通常是铂(Pt)。阳极、阴极和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造比较昂贵，并且需要具备某些条件才能有效地工作。这些条件包括适当的水控制和潮湿，以及对催化剂毒物、例如一氧化碳(CO)的控制。

在MEA技术领域中，在聚合物电解质膜上覆盖一层催化剂层是众所周知的。该催化剂层可直接沉积在该膜上，或通过首先在贴花基底上覆盖一层催化剂来间接地涂覆在该膜上。催化剂一般是通过轧制工艺以浆的形式涂在贴花基底上。然后，催化剂经由热压步骤转移到膜上。这种MEA的制作过程有时称为催化剂涂覆膜(CCM)。

在催化剂被涂在贴花基底之后，在转移到膜上之前，催化剂层上有时会被喷涂上离聚物层。因为催化剂和膜这两者都包括离聚物，由于它减小了催化剂和膜之间的接触电阻，因此该离聚物喷涂层就在催化剂和膜之间提供了更好的接触。这就增加了膜和催化剂之间的质子交换，因此而提高了燃料电池的性能。被授权给Sompalli等人并且转让给本发明受让人的美国专利No.6524736公开了一种以这种方式来制造MEA的技术。

所述贴花基底可以是多孔性的膨体聚四氟乙烯(ePTFE)贴花基底。然而，这种ePTFE基底非常昂贵，并且不可重复使用。具体而言，当催化剂被转移到该ePTFE基底的膜上时，其中一部分催化剂或催化剂成分会残留在该ePTFE基底上。另外，该ePTFE基底会伸展、变形并且吸收溶剂，使得清洗步骤变得极其困难。因此，用来制造各阳极和阴极的每一ePTFE基底都被废弃。

贴花基底也可以是无孔的聚氟乙烯(ETFE)贴花基底。该ETFE贴花基底为基底提供了催化剂和离聚物的最小损耗，因为基本上所有的涂层都通过贴花转移了。该基底不会变形而且可重复使用。对于这两种工艺而言，阳极和阴极贴花基底都被切割成最终电极大小的尺寸，然后热压成全氟化合物膜，随后，将贴花基底剥下。

由上述贴花基底转移工艺所制备的MEA会沿着催化剂边缘出现故障。具体而言，在靠近MEA的阳极和阴极两侧上的催化剂层的外边缘处，显示膜出现了开裂。这种故障一般对应于热压步骤中的贴花基底的边缘。因为贴花基底的面积比膜的面积小，并且厚度为大约3毫米，因此在热压步骤中，贴花基底或该膜的有效面积部分要比该膜的其余裸露面积承受更大的压力。这可能导致膜沿着催化剂边缘而变得弱化。

在另一已知的制造技术中，MEA被制作成涂覆有催化剂的扩散介质(CCDM)，而非CCM。该扩散介质是多孔层，其对于气体和水通过MEA进行传送是必须的。该扩散介质通常是涂覆有微孔层的碳纸基底，其中，微孔层是碳和聚四氟乙烯的混合物。通常，通过丝网印刷工艺在微孔层顶部涂覆上小块状的催化剂墨水，然后对其进行压制。将一块空白的全氟化合物膜夹在两块CCDM之间，其中催化剂侧面向该膜，然后进行热压，将CCDM粘合在膜上。

然而，这种MEA的制作工艺同样会在紧邻催化剂层边缘处出现膜故障。此外，因为催化剂层比扩散介质和膜的面积都要小，因此，就存在着在催化剂层外侧扩散介质直接与膜接触的面积。因此，通过扩散介质来传送的气体直接与膜而非与催化剂发生反应，从而可能导致因氧和氢反应而产生燃烧，这也可能会损坏膜。

同样，在CCDM工艺中，由于扩散介质的多孔性，催化剂中的离聚物容易被吸收至扩散介质中，从而导致在CCDM被热压到该膜上时，将只有较少的离聚物能够将催化剂层电连接在该膜上。因此，MEA的性能会降低。