[发明专利]疏水性鎓盐加入燃料电池电极墨中改善可制造性

说明书

技术领域

在至少一个方面，本发明涉及用于燃料电池的离子交换膜。

背景技术

燃料电池在许多应用中用作电力来源。特别倡导将燃料电池用于汽车以替代内燃发动机。一常用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质（“SPE”）膜或质子交换膜（“PEM”），以提供阳极与阴极间离子转运，同时还作为电绝缘体。

在质子交换膜型燃料电池中，氢提供给阳极作为燃料，氧提供给阴极作为氧化剂。所述氧可以是纯的形式（O₂）或空气（O₂与N₂的混合物）。PEM燃料电池一般具有膜电极组件（“MEA”），其中固体聚合物膜在一面具有阳极催化剂，在背面具有阴极催化剂。典型PEM燃料电池的阳极和阴极层由多孔传导性材料形成，诸如织造石墨（woven graphite）、石墨化片或碳纸，以便使燃料能在面向燃料供应电极的膜的表面上分散开。典型地，离子传导性聚合物膜包括全氟磺酸（PFSA）离聚物。

每一催化剂层具有磨碎的催化剂粒子（例如，铂粒子），其负载在碳粒子上，用以促进阳极上氢的氧化和阴极上氧的还原。质子从阳极流出，通过离子传导性聚合物膜，流到阴极，在那里它们与氧结合形成水，水从电池排出。

MEA夹在一对多孔气体扩散层（“GDL”）之间，而所述多孔气体扩散层又夹在一对导电元件或板之间。板充当阳极和阴极的集流体，含有在其中所形成的适当通道和开口，用于在相应的阳极和阴极催化剂表面上分布燃料电池的气体反应剂。为了有效地产生电，PEM燃料电池的聚合电解质膜须是薄、化学稳定、可传输质子、不导电和不透气的。在典型应用中，以成堆的多个燃料电池个体的阵列形式提供燃料电池，以便提供高电力水平。

在许多燃料电池应用中，电极层由包括贵金属和全氟磺酸聚合物（PFSA）的墨（ink）组合物形成。例如，在质子交换膜燃料电池的电极层制造中，一般将PFSA加入Pt/C催化剂墨中，以便为分散的Pt纳米粒子催化剂提供质子传导以及提供多孔碳网络的连接。商业Nafion^?聚合物广泛用于这一应用，它具有无规的共聚物结构，其中950 g/mol的典型当量给出16.5 % mol/mol的磺酸单体级分。在施加的墨膜干燥期间，电极层的裂化（crack）逐步显现，直接影响所制造膜-电极组件（MEA）在燃料电池工作期间的耐用性。

因此，需要改良的用于形成燃料电池电极的墨组合物。

发明内容

在至少一个实施方案中，通过提供用于形成燃料电池层的墨组合物，本发明解决了现有技术的一或多个问题。所述墨组合物包括：包含水和醇的溶剂系统，分散在该溶剂系统内的离子传导性聚合物，分散在该溶剂系统内的负载型催化剂；和具有疏水性烃部分的鎓化合物。所述鎓化合物基本上可溶于所述溶剂系统。

在另一实施方案中，提供了用于形成燃料电池层的墨组合物。所述墨组合物包括：溶剂系统；分散在该溶剂系统内的离子传导性聚合物；分散在该溶剂系统内的负载型催化剂；和包括疏水性烃部分的伯铵化合物，所述疏水性烃部分选自C₅～C₃₀烷基、C₅～C₃₀烯基和C₆～C₃₀芳基。

在另一实施方案中，提供了使用所述墨组合物制造燃料电池用催化剂层的方法。所述方法包括使第一液体组合物与鎓化合物混合以形成第二液体组合物的步骤。第一液体组合物包括溶剂系统、负载型催化剂和离子传导性聚合物，而鎓化合物包括疏水性烃部分。催化剂层由第二液体组合物形成。

应理解，在公开本发明示范性实施方案同时，详细说明和具体示例意在仅用于例证说明的目的，而不意在限制本发明的范围。

附图说明

图1提供了并入由本发明实施方案的墨形成的层的燃料电池的截面示意图；

图2提供了随着碳长增加，同系列脂族胺的计算logP和log(水溶性)的图表；

图3提供了z=1的Nafion^?聚合物的化学结构；

图4提供了1天研磨后CCDM PtCoHSC墨流变学；高剪切应力和滞后仅在低OA加入水平下（0和5% mol/mol Nafion^?中和）观测到；

图5提供了1天研磨后的和又1天维持后的CCD PtCoHSC墨流变学；

图6提供了1天研磨后的和又1天维持后的CCDM PtCoHSC墨粒度分布；