[发明专利]PPS电极增强材料/裂纹缓和剂

说明书

技术领域

本发明涉及用于制造燃料电池组件的方法。

背景技术

在质子交换膜类型的燃料电池中，氢气供给到阳极作为燃料，和氧气供给到阴极作为氧化剂。氧气可以是纯形式(O₂)或者空气(O₂和N₂的混合物)。质子交换膜(PEM)燃料电池通常具有膜电极组件(MEA)，其中固体聚合物膜在一个面上具有阳极催化剂以及在相对面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极层和阴极层由多孔导电材料形成，例如编织石墨(woven graphite)、石墨化片或者炭纸以使燃料能够分散在朝向燃料供给电极的膜表面上。通常，离子导电聚合物膜包含全氟磺酸(PFSA)离聚物。

各催化剂层具有负载在碳颗粒上的、细粒催化剂颗粒(例如铂颗粒)以促进阳极处的氢气氧化，和阴极处的氧气还原。质子从阳极透过离子导电聚合物膜流动到阴极，在此所述质子与氧气结合形成从电池排放的水。

MEA夹持在一对多孔气体扩散层(GDL)之间，所述多孔气体扩散层夹持在一对导电流场元件或者板之间。所述板充当阳极和阴极的集流器，并包括形成在其中的适当的通道和开口，用于在相应的阳极和阴极催化剂的表面上分配燃料电池的气体反应物。为了有效地产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄、化学稳定、可传导质子、不导电和气体不可渗透。在典型的应用中，燃料电池以堆叠的许多单个燃料电池的阵列设置以提供高的电功率水平。

在许多燃料电池应用中，电极层由包含贵金属和全氟磺酸聚合物(PFSA)的油墨（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，PFSA通常添加到Pt/C催化剂油墨中以给分散的Pt催化剂纳米颗粒提供质子传导性，以及提供多孔碳网络的结合。传统的燃料电池催化剂将碳黑与碳表面上的铂沉积物，以及离聚物组合。碳黑提供(部分地)高表面积的导电基材。铂沉积物提供了催化剂性能，并且离聚物提供了质子传导组分。电极由包含碳黑催化剂和离聚物的油墨形成，它们通过干燥结合形成电极层。虽然目前制造离子导电膜的技术效果相当不错，但仍然有需要改进的地方。

因此，本发明提供了制造可用于燃料电池应用的组件的改进方法。

发明内容

本发明通过在至少一个实施方式中提供用于燃料电池应用的金属电极组件解决了现有技术中的一个或多个问题。该金属电极组件包括阴极催化剂层、阳极催化剂层以及设置在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间的离子导电膜。该阴极催化剂层或阳极催化剂层各自独立地包含催化剂组合物和第一聚合物，其中所述阴极催化剂层或阳极催化剂层中至少一者包含第一聚合物和含聚苯硫醚结构。

在另一实施方式中，提供了用于形成催化剂层的油墨组合物。该油墨组合物包含溶剂、第一聚合物、包含聚苯硫醚的纤维、和催化剂组合物。

在另一实施方式中，提供了形成燃料电池催化剂层的方法。该方法包括将包含聚苯硫醚的树脂与水溶性载体树脂合并以形成树脂混合物的步骤。将该树脂混合物成形以形成成形的树脂混合物。该成形的树脂混合物具有位于载体树脂中的含聚苯硫醚结构。将该成形的树脂混合物与水接触，以从载体树脂中分离含聚苯硫醚结构。任选地将该含聚苯硫醚结构磺化。将该含聚苯硫醚结构与第一聚合物合并以形成聚合物组合物。将该聚合物组合物形成为具有分散在载体树脂中的含聚苯硫醚结构的膜。

有利地，将包含聚苯硫醚和/或磺化聚苯硫醚（S-PPS）的结构（如）纤维添加到催化剂层中以提高耐用性和短路抗性。PPS和S-PPS纳米纤维比目前用于增强聚合电解质膜的膨体聚四氟乙烯纤维网（ePTFE）的结构更稳定，因为PPS和S-PPS纳米纤维在压力下不变形。此外，PPS和S-PPS纳米纤维易于分散在水和醇中并且可以用导电层涂覆使它们成为优良的电极增强添加剂，其缓和了干燥时电极层的裂纹。

具体地，本发明涉及以下方面的技术方案：

● 1. 用于燃料电池的金属电极组件，所述金属电极组件包括：

阴极催化剂层；

阳极催化剂层，所述阴极催化剂层或阳极催化剂层各自独立地包含催化剂组合物和第一聚合物，其中所述阴极催化剂层或阳极催化剂层中至少一者包含第一聚合物和含聚苯硫醚结构；和

设置在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间的离子导电膜。

● 2. 根据方面1所述的金属电极组件，其中所述含聚苯硫醚结构包括选自纤维、珠粒、球体和长圆形体的组分。

● 3. 根据前述方面中任一项所述的金属电极组件，其中所述催化剂组合物包含贵金属或含贵金属化合物。