通過向膜直接噴射催化劑所制備的膜電極組件制造技術

一種用于制備ＭＥＡ的技術。所述技術包括，提供聚合物電解質質子傳導膜，然后直接在所述膜上噴射催化劑墨水以形成催化劑層。在一個實施例中，催化劑墨水包括用于所需燃料電池性能的適當離聚物和碳之比，例如０．８／１。在另一實施例中，催化劑墨水包括對于實現所需燃料電池性能的適當離聚物與碳之比而言太少的離聚物。離聚物層先于催化劑層被噴射在膜上，以提供適當的最終離聚物與碳之比。（*該技術在2024年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】專利技術背景1.專利
本專利技術大體上涉及用于質子交換燃料電池(PEMFC)的膜電極組件(MEA)，更具體地說，本專利技術涉及用于PEMFC的MEA，其中MEA的陽極催化劑層和/或陰極催化劑層被噴射在質子傳導膜上。2.相關技術的闡述氫是極具吸引力的燃料，因為它是清潔燃料，而且可用于在燃料電池中高效地產生電能。汽車工業花費大量資源來開發氫燃料電池以作為汽車的動力源。這樣的汽車會更加高效，并且與現今使用內燃機的汽車相比所產生的排放物更少。氫燃料電池是電化學裝置，包括陽極和陰極以及在這兩者之間的電解質。陽極接收氫氣，而陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極被分解而產生自由的氫質子和電子。氫質子通過電解質到達陰極。氫質子與陰極中的氧和電子發生反應以生成水。來自陽極的電子無法通過電解質，因此在被發送到陰極之前被引導通過負載，來進行做功。所做的功用于開動汽車。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是常見的用于汽車的燃料電池。PEMFC通常包括固態聚合物電解質質子傳導膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極一般包括支撐在碳顆粒上并與離聚物相混合的細小催化微粒，通常是鉑(Pt)。陽極、陰極和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。MEA的制造比較昂貴，并且需要具備某些條件才能有效地工作。這些條件包括適當的水控制和潮濕，以及對催化劑毒物、例如一氧化碳(CO)的控制。-->在MEA
中，在聚合物電解質膜上覆蓋一層催化劑層是眾所周知的。該催化劑層可直接沉積在該膜上，或通過首先在貼花基底上覆蓋一層催化劑來間接地涂覆在該膜上。催化劑一般是通過軋制工藝以漿的形式涂在貼花基底上。然后，催化劑經由熱壓步驟轉移到膜上。這種MEA的制作過程有時稱為催化劑涂覆膜(CCM)。在催化劑被涂在貼花基底之后，在轉移到膜上之前，催化劑層上有時會被噴涂上離聚物層。因為催化劑和膜這兩者都包括離聚物，由于它減小了催化劑和膜之間的接觸電阻，因此該離聚物噴涂層就在催化劑和膜之間提供了更好的接觸。這就增加了膜和催化劑之間的質子交換，因此而提高了燃料電池的性能。被授權給Sompalli等人并且轉讓給本專利技術受讓人的美國專利No.6524736公開了一種以這種方式來制造MEA的技術。所述貼花基底可以是多孔性的膨體聚四氟乙烯(ePTFE)貼花基底。然而，這種ePTFE基底非常昂貴，并且不可重復使用。具體而言，當催化劑被轉移到該ePTFE基底的膜上時，其中一部分催化劑或催化劑成分會殘留在該ePTFE基底上。另外，該ePTFE基底會伸展、變形并且吸收溶劑，使得清洗步驟變得極其困難。因此，用來制造各陽極和陰極的每一ePTFE基底都被廢棄。貼花基底也可以是無孔的聚氟乙烯(ETFE)貼花基底。該ETFE貼花基底為基底提供了催化劑和離聚物的最小損耗，因為基本上所有的涂層都通過貼花轉移了。該基底不會變形而且可重復使用。對于這兩種工藝而言，陽極和陰極貼花基底都被切割成最終電極大小的尺寸，然后熱壓成全氟化合物膜，隨后，將貼花基底剝下。由上述貼花基底轉移工藝所制備的MEA會沿著催化劑邊緣出現故障。具體而言，在靠近MEA的陽極和陰極兩側上的催化劑層的外邊緣處，顯示膜出現了開裂。這種故障一般對應于熱壓步驟中的貼花基底的邊緣。因為貼花基底的面積比膜的面積小，并且厚度為大約3毫米，因此在熱壓步驟中，貼花基底或該膜的有效面積部分要-->比該膜的其余裸露面積承受更大的壓力。這可能導致膜沿著催化劑邊緣而變得弱化。在另一已知的制造技術中，MEA被制作成涂覆有催化劑的擴散介質(CCDM)，而非CCM。該擴散介質是多孔層，其對于氣體和水通過MEA進行傳送是必須的。該擴散介質通常是涂覆有微孔層的碳紙基底，其中，微孔層是碳和聚四氟乙烯的混合物。通常，通過絲網印刷工藝在微孔層頂部涂覆上小塊狀的催化劑墨水，然后對其進行壓制。將一塊空白的全氟化合物膜夾在兩塊CCDM之間，其中催化劑側面向該膜，然后進行熱壓，將CCDM粘合在膜上。然而，這種MEA的制作工藝同樣會在緊鄰催化劑層邊緣處出現膜故障。此外，因為催化劑層比擴散介質和膜的面積都要小，因此，就存在著在催化劑層外側擴散介質直接與膜接觸的面積。因此，通過擴散介質來傳送的氣體直接與膜而非與催化劑發生反應，從而可能導致因氧和氫反應而產生燃燒，這也可能會損壞膜。同樣，在CCDM工藝中，由于擴散介質的多孔性，催化劑中的離聚物容易被吸收至擴散介質中，從而導致在CCDM被熱壓到該膜上時，將只有較少的離聚物能夠將催化劑層電連接在該膜上。因此，MEA的性能會降低。另外，上述工藝涉及到催化劑和離聚物的消耗，消耗掉不包含在最終MEA中材料，以及若干個耗時且消耗資源的加工步驟，例如沖切、熱壓和剝離貼花基底。另一已知的MEA制造工藝采用在全氟化合物膜上直接噴涂或涂覆催化劑。該膜典型地以鈉(Na+)或鉀(K+)離子而非質子的形式存在，因此當涂覆上催化劑墨水之后，膜不會膨脹。在涂覆上催化劑墨水后，通過熱壓制該膜來加強催化劑層。最終的步驟包括通過酸性交換來對進行膜質子化，這是通過將膜在沸騰的硫酸中浸泡若干小時，然后在去離子水中漂洗該膜，以便用質子(H+)來取代鈉或鉀離子來實現的。-->為了制成低成本、高效率且耐用的燃料電池，需要改進已知MEA的制作過程。本專利技術提供了一種用于制造MEA的技術，它進行了簡化，并且所生產的MEA比本領域中已知的MEA更為耐用。專利技術概要根據本專利技術的講述內容，公開了一種用于制造MEA的技術。該技術包括，提供質子傳導膜，然后直接在膜上噴射催化劑墨水，以形成催化劑層。催化劑墨水可通過若干次噴射而被噴射在該膜上，其中，在噴射過程中，該膜上的墨水被加熱燈干燥。在一個實施例中，催化劑墨水包括適當的離聚物與碳之比，例如(0.8-1.2)/1，以便實現所需的燃料電池性能。在另一實施例中，催化劑墨水包括對于實現所需燃料電池性能的適當離聚物與碳之比而言太少的離聚物。離聚物層先于催化劑層被噴射在膜上，以提供適當的最終離聚物與碳之比。可隨后執行附加的處理步驟，以改進MEA的性能。例如，MEA可被浸泡在水浴槽中或在水中煮沸，MEA可被浸泡在硫酸浴槽中，以去除多余的溶劑，從而確保質子化作用，也可對MEA進行熱壓，以便去除多余的溶劑，并壓縮和可能加強催化劑層。從以下描述和所附權利要求并結合附圖，可以清楚本專利技術的額外優點和特征。附圖簡介圖1是根據本專利技術一個實施例的用于制備包括質子傳導膜的MEA的系統的平面圖，其中，此系統包括在膜上噴射催化劑墨水以形成催化劑層；圖2是顯示了根據本專利技術一個實施例的用于制造MEA的工藝方法的流程圖，該MEA包括噴射在質子傳導膜上的催化劑層；以及圖3是圖表，其中，水平軸線表示當前密度，垂直軸線表示電-->壓，該圖表顯示了利用熱壓進行貼花轉移所制備的涂覆有催化劑的膜MEA以及未利用熱壓而直接在膜上噴射催化劑所制備的MEA的極化曲線。實施例的詳細描述對本專利技術實施例的針對在MEA質子傳導膜上噴射催化劑的工藝的以下論述本質上是示例性的，決非試圖限制本專利技術或其應用或用途。本專利技術是制備用于PEMFC的MEA的簡化方法，它降低了成本、材料和制造資源，并且還提高了MEA的耐用性。根據本專利技術，圖1是用于制造MEA24的系統10的平面圖。MEA24包括以質子化形式(H+)存在的聚合物電解質質子傳導膜14，例如全本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于制備膜電極組件（ＭＥＡ）的方法，所述方法包括：　　　　提供具有第一側和第二側的以其質子化形式存在的質子傳導膜；以及　　　　在所述膜的所述第一側上噴上催化劑墨水，以便沉積所述ＭＥＡ的陰極或陽極的催化劑層。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】US 2004-1-22 10/763,6331.一種用于制備膜電極組件(MEA)的方法，所述方法包括：提供具有第一側和第二側的以其質子化形式存在的質子傳導膜；以及在所述膜的所述第一側上噴上催化劑墨水，以便沉積所述MEA的陰極或陽極的催化劑層。2.根據權利要求1所述的方法，還包括，在所述膜上噴上所述催化劑墨水之前，在所述膜上噴上離聚物層。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化劑墨水所具有的離聚物與碳之比為大約0.8-1.2比1。4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述催化劑墨水所具有的離聚物與碳之比為大約0.4比1。5.根據權利要求1所述的方法，還包括，在加熱燈下干燥所述MEA，以便干燥所述催化劑層。6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，噴射所述催化劑墨水包括，通過若干次噴射噴上所述墨水，以便在所述膜上沉積上所述墨水達到所需的厚度。7.根據權利要求1所述的方法，還包括，在所述膜的所述第二側上噴上所述催化劑墨水，以便沉積上所述陽極或所述陰極中另一極的催化劑層。8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化劑墨水包括催化劑、溶劑和一半的所述離聚物濃縮物。9.根據權利要求1所述的方法，還包括，用夾子夾住所述膜，以防止膜起皺。10.根據權利要求1所述的方法，還包括，將所述MEA浸泡在水中。11.根據權利要求1所述的方法，還包括，將所述MEA浸泡在硫酸中，以去除多余的溶劑，并確保質子化作用。-->12.根據權利要求1所述的方法，還包括，在所述催...

【專利技術屬性】
技術研發人員：SG顏，JC多伊爾，
申請(專利權)人：通用汽車公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]