[发明专利]用于制造减小龟裂的电极的工艺和材料

说明书

背景技术

通常称为燃料电池的电化学转换电池通过处理反应物产生电能，例如通过氢和氧的氧化还原。典型的聚合物电解质燃料电池包括两侧具有电极层（例如，含有最低量的一种催化剂和一种离聚物）的聚合物膜（例如，质子交换膜（PEM））。涂敷催化剂的PEM位于一对气体扩散介质层之间，并且在该气体扩散介质层外侧放置阴极板和阳极板。该组件经压制形成燃料电池。

该催化剂层可以附着于PEM上形成膜电极组件（MEA）（也就是通常所说的催化剂涂布膜（CCM））。形成MEA的一种方法包含通过在垫片框架中直接喷涂或者涂布使得电极墨沉积在PEM上。替代地，可以在贴膜上形成电极并且转移至PEM。替代地，催化剂/离聚物墨涂布于气体扩散介质（GDM）基板上。该中间产物称为催化剂涂层扩散介质（CCDM）。

典型地，电极墨包括负载在载体例如碳载体上的粉末催化剂和分散于混合溶剂中的离聚物溶液。该混合溶剂通常包括一种或多种有机溶剂如乙醇和水，两者的比率取决于催化剂的类型。接下来，该混合物在涂布于PEM、贴膜基板或者GDM上之前通过球磨大约均化3天。通过垫片的厚度可以控制催化剂的用量；对于Mayer棒涂布，通过螺纹数可以控制催化剂的用量。如果需要，可以通过多次涂布获得较高的催化剂用量。在涂敷湿墨之后，在烘箱中干燥以分离出溶剂并且形成电极。在催化剂/离聚物涂布的贴膜干燥之后，接下来将催化剂/离聚物通过热压转移到PEM上形成MEA。阳极和阴极可以同时热压到PEM上。热压的压力和时间随MEAs的类型不同而改变。

已知由催化剂墨制成的电极易于在表面形成网状裂隙，被称为“龟裂”。众所周知，由于湿膜干燥引发应力的发展并且固体材料开始固结。虽然不希望被理论所限制，但是由于在电极制造过程中催化剂墨不均匀的干燥使得可能形成裂隙。由于电极固有的缺点，在随后的干燥中也可能形成裂隙。电极是由具有相对弱的结合力的离聚物约束的碳载体的多孔基体组成。结果，具有离聚物的碳载体的基体可能是不连续的。此外，碳载体给离聚物提供了最小的强化，并且所得到的基体可能无法承受在催化剂墨干燥时的重压，导致在燃料电池运行期间形成裂隙的机率增大。如果薄膜的抗拉强度不足以克服诱导的干燥应力，就可能形成龟裂以释放薄膜应力。

网状裂隙从几个方面给燃料电池的性能带来消极影响。例如，在燃料电池运行期间电解质膜典型地膨胀和收缩期间，在邻近电解质膜的裂隙底部会形成应力集中，这将导致膜退化例如形成针孔。另外，与紧邻电极的电解质膜相比，紧邻裂隙的电解质膜暴露在不同湿度的环境中。特别是经过反复的膨胀和收缩循环之后，电解质膜深入裂隙的膨胀也可以使电解质膜退化。进一步地，电极中的网状裂隙可能降低电极的有效刚性，在燃料电池运行中将导致MEA发生不期望地移动。

已经有许多方法用于减少龟裂。一种方法是延长干燥催化剂墨允许的时间。然而，延长干燥时间也就要增加制造成本并且不足以减少裂隙。在燃料电池后序操作中，延长干燥时间也不能优化电极的抗裂能力。

因此，需要制造龟裂减少的电极。

发明内容

本发明满足这个需要。本发明一方面是一种包括基底的基本上无裂隙的电极层；以及所述基底上基本上无裂隙的电极层，所述电极层包括催化剂，离聚物和层状硅酸盐加强物。

本发明的另一方面是一种一种制造基本上无裂隙的电极的方法。在一个实施例中，该方法包括在溶剂中混合层状硅酸盐加强物以形成混合物；将所述混合物与催化剂和离聚物混合以形成电极墨；将所述电极墨沉积到基底上；以及干燥所述电极墨以形成基本上无裂隙的电极层。

本发明的另一方面是一种用于燃料电池的催化剂墨成分。在一个实施例中，该催化剂墨成分包括催化剂，其被承载在多个导电颗粒上；离聚物；溶剂；以及层状硅酸盐加强物。

本发明的另一方面是一种膜电极组件。在一个实施例中，该膜电极组件包括：质子交换膜；所述质子交换膜的相对侧上的一对气体扩散介质基底；以及所述质子交换膜和该对气体扩散介质基底的每个之间的一对电极层，所述电极层沉积在所述质子交换膜上或所述气体扩散介质基底上，所述电极层的至少一个基本上无裂隙并且包括催化剂，离聚物和层状硅酸盐加强物。

本发明还提供了以下方案：

1. 一种制造基本上无裂隙的电极的方法，包括：

在溶剂中混合层状硅酸盐加强物以形成混合物；

将所述混合物与催化剂和离聚物混合以形成电极墨；

将所述电极墨沉积到基底上；以及

干燥所述电极墨以在所述基底上形成基本上无裂隙的电极层。