[发明专利]ePTFE层压膜的改进的可制造性

说明书

技术领域

本公开大体而言涉及涂布燃料电池部件的过程,并且更具体而言，其涉及制造层压膜的改进的过程。

背景技术

电化学转换电池，通常被称作燃料电池，例如通过氢和氧的氧化和还原处理反应物来产生电能。聚合物电解质燃料电池可包括聚合物膜[例如，质子交换膜(PEM)]，在两侧上具有催化剂电极层。催化剂涂布的PEM可定位于一对气体扩散介质（GDM）之间并且阴极板和阳极板放置于气体扩散介质层外侧。替代地，可使用催化剂涂布的扩散介质（DM）层。

存在可以层的形式组合的膜电极组件(MEA)的许多部件，包括电极墨水层、微孔层和膜层。在制造燃料电池期间，一个或多个这样的层可以连续涂布到支承件上。更特定而言，层可以使用循序涂布操作组合，包括在施加下一层之前使一个层部分地或完全地干燥。层也可被制成为独立层（例如，形成于牺牲性基底上）并且随后进行热压制或以其它方式粘结。例如，微孔层可以形成于基底上、催化剂层涂布于微孔层上以制成电极，并且然后将所形成的电极与膜支承件热压制或以其它方式粘结。

通过常规涂布操作，制造燃料电池部件的过程是复杂的、耗时的并且成本较高的，特别是在部件层的数量较多并且涂布和干燥设备重复的情况下。因此仍然需要制造膜电极组件的改进的方法，并且特别是减少处理步骤和成本的方法。

发明内容

在各种实施例中，提供用来制造燃料电池部件和更具体而言用于制造膜电极组件的层压膜的改进的方法。这样的方法包括：(i)提供基底、催化剂墨水流体和第一膜流体；(ii)提供第二膜流体；(iii)同时涂布催化剂墨水流体到基底上，第一膜流体到催化剂墨水流体上，和第二膜流体到第一膜流体上来形成湿复合结构；以及(iv)施加加强层到湿复合结构并且允许完全吸收加强层。更特定而言，在第二膜流体/第一膜流体界面处的扩散使得来自第一膜流体的至少某些离聚物被认为通过第二膜流体扩散到加强层内。在这些实施例中的某些中，该方法涉及制造膨体聚四氟乙烯(ePTFE)层压膜的制造，其中加强层为ePTFE。

在一示例中，第二膜流体包括一种或多种醇，诸如1-4碳醇。醇安置于第一膜流体上并且加强层安置于醇层上并且允许完全吸收。在另一示例中，第二膜流体为还包含聚合物电解质的富含醇的流体。这种富含醇的流体在某些实施例中具有大于第一膜流体的疏水性。在某些实施例中，富含醇的流体可以具有低于第一膜流体的粘度。在某些实施例中，富含醇的流体可以具有大于第一膜流体的疏水性和低于第一膜流体的粘度。富含醇的流体安置于第一膜流体上并且加强层安置于所得到的多层膜结构上（顶层为富含醇的）并且允许完全吸收。在两个示例中，吸收速率令人吃惊地较快，从而允许更快的涂布速度和层压膜的改进的可制造性。

无论第二膜流体的组成如何，所提供的方法还可包括通过干燥加强湿复合结构来形成干复合结构。这样形成的干燥的复合结构包括基底、形成于基底上的电极和形成于电极上的无孔层压膜。

在本公开的各种实施例中的某些实施例中，还提供制造具有层压膜（例如，ePTFE层压膜）的MEA的方法。在这样的方法的一个示例中，可通过根据本公开制造层压膜来形成阴极基底，其中电极包括阴极墨水。所形成的阴极基底然后可以与阳极基底组装在一起以形成膜电极组件。所用的阳极基底可包括（但并非必需包括）根据本公开制造的层压膜，其中电极包括阳极墨水。在所提供的制造膜电极组件的方法的另一示例中，可通过根据本公开制造层压膜来形成阳极基底，其中电极包括阳极墨水。所形成的阳极基底然后可以与阴极基底组装在一起以形成膜电极组件。所用的阴极基底可包括（但并非必需包括）根据本公开制造的层压膜，其中电极包括阴极墨水。

已知低当量全氟磺酸(PFSA)离聚物当用于氢能量燃料电池时提供电压增加，这归因于更好的质子传导。由于增加量的酸部位，低当量离聚物具有较强的亲水性，并且可分散于亲水性溶剂中，诸如低碳醇和/或水。加强材料诸如ePTFE为疏水性的，并且这样的材料完全吸收到常规涂布的膜分散体内的速率极其缓慢并且因此具有相关联的过程效率成本。通过引入更加疏水的醇来克服这种缓慢吸入速率的问题的一种方案造成了其它问题，包括粘性显著增加，这减缓了吸入速率。通过显著稀释溶剂而抵消高粘性的方案需要增加溶剂，这导致其它过程效率成本，诸如更多的溶剂和更长的干燥时间。

所提供的方法能够使用低溶剂负载，同时增加了吸入速率并且保持粘性较低。因此，所提供的方法能够增加过程效率。

本发明提供下列技术方案。

1. 一种制造ePTFE层压膜的方法，包括：

提供多孔或无孔基底；

提供催化墨水流体；