用于mea耐用性的拆分体系结构的制作方法

专利名称：用于mea耐用性的拆分体系结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，更具体地，涉及用于燃料电池的膜电极组件。
背景技术：
燃料电池已经被建议作为电动车辆和其它应用的电源。 一种这样 的燃料电池是包括通常称作"膜-电极-组件"(MEA)的PEM(即质 子交换膜)燃料电池，所述的"膜-电极-组件"包括在膜电解质的相 对面上具有一对电极(即阳极和阴极)的薄的固体聚合物膜-电解质。 MEA夹在平面的气体分布元件之间。
与膜电介质比较，电极典型地具有较小的表面积，从而膜电解质 的边缘从电极向外突出。在这些膜电解质的边缘上，设置垫圈或密封 以从周围支撑电极。由于制造公差的限制，密封、MEA、和气体分布 元件没有足够严密地对准，这可导致敏感的膜电解质中出现撕破和针 孔。这反过来降低了膜电介质的寿命。
还有，由于制造公差的限制，反应物流可穿过固体聚合物电解质 从一个电极到另一个电极。
发明概述
考虑到上述缺点，本发明提供膜电极组件，所述膜电极组件包括 离子传导构件、电极和包括活性层的导电构件，其中电极基本上是完 全覆盖和支撑离子传导构件的光滑、连续的层。电极和活性层还各自 包括第一和第二催化剂含量；全部催化剂含量的50%存在于电极中，
全部催化剂含量的50%存在于活性层中。
本发明的应用的进一步范围将从下文提供的详细说明中变得显 而易见。应该理解，虽然所述详细描述和具体实施例都描述的是本发 明的优选实施方案，但它们仅用于实例目的而并不试图限制本发明的 范围。


从详细描述和附图中将更完全地理解本发明，其中 图l是依据本发明的第一实施方案的膜电极组件的剖面图； 图2是标准的催化剂涂覆的膜电极组件和标准的催化剂涂覆的扩 散介质组件之间的耐用寿命和水中氟化物洗提的比较图3A和3B是依据本发明的第二实施方案的膜电极组件的剖面
图4是现有技术的膜电极组件；和
图5是依据本发明的第三实施方案的膜电极组件。
优选实施方案详述
优选实施方案的下述描述本质上仅是举例而决不是试图限制本 发明、其应用或用途。
图1是依据本发明的膜电极组件(MEA)的剖面图。如图1所示， MEA 2包括夹在阳极6和阴极8之间的离子传导构件4，所述阳极6 和阴极8提供一对活性表面9和11。 MEA 2还夹在一对导电构件10 和12，或气体扩散介质10和12之间。气体扩散介质10和12每一个 包括与MEA2的活性表面9和11相邻的活性层13，并由框架形的垫 圈14和16在周围环绕。垫團14和16和涂覆催化剂的扩散介质10 和12可以层压到或不层压到离子传导构件4和/或电极6和8上。
离子传导构件4优选固体聚合物膜电解质，并优选PEM。构件4 在此也称作膜4。优选地，离子传导构件4具有大约10pm-100nm范 围的厚度，最优选大约25jun的厚度。适合于所述膜电解质的聚合物 在本领域是已知的，并在美国专利No. 5，272，017和3,134,697以及其 它的专利和非专利文献中描述过。然而，应注意到，离子传导构件4 的组成可以包括本领域中常规使用的任何质子传导聚合物。优选地， ^使用全氟化磺酸聚合物，如NAFION⑧。而且，所述聚合物可以是所 述膜的唯一组成成分、包含另一种材料的机械支撑性原纤维、或和颗 粒(例如，用氧化硅、沸石或其它类似颗粒)交互分散。可替换地， 所述聚合物或离子交联聚合物可以被携带在另一材料的孔中。
离子传导构件4是阳离子可渗透的、质子传导膜，具有H+离子 作为移动离子；燃料气体是氢(或重整产品)并且氧化剂是氧或空气。整个电池反应是氢和氧电化学转化成水，在阳极和阴极处的各自反应
是H尸2H+十2e (阳极)和l/202+2H++2e =H20 (阴极)。
阳极电极6和阴极电极8的组成优选包括分散在聚合物粘结剂中 的电化学活性材料，和离子传导构件4一样，所述聚合物粘结剂是质 子传导材料，如NAFION⑧。电化学活性材料优选包括涂覆催化剂的 碳或石墨颗粒。阳极电极6和阴极电极8将优选包括铂-钌、铂或其它 Pt/过渡金属合金作为催化剂。尽管附图中阳极6和阴极8尺寸上示出 是相等的，应该指出，具有不同尺寸(即，阴极大于阳极或相反)的 阳极6和阴极8没有超出本发明的范围。阳极和阴极的优选厚度在大 约2-30nm的范围，最优选大约l(Vm。
气体扩散介质10和12可以是本领域中已知的任何气体扩散介 质。优选地，气体扩散介质10和12是厚度在大约50-300pm范围内 的碳纸、碳布、或碳泡沫。这些可能浸渍有各种水平的Teflon⑧或其 它碳氟化合物，以实现程度不同的疏水性。依据本发明，并如上所述， 气体扩散介质10和12也包括邻近MEA 2的活性表面9和11设置的 活性层13。活性层13由分散在聚合物粘结剂中的电化学活性材料组 成，与阳极6和阴极8 —样，所述聚合物粘结剂是质子传导材料如 NAFION⑧。电化学活性材料优选包括涂覆催化剂的碳或石墨颗粒。 活性层13优选包括铂-钌、铂或其它Pt/过渡金属合金作为催化剂。
再则，尽管本发明没有要求，但优选包括设置在活性层13和气 体扩散介质10或12之间的中间层15。是多微孔层15的中间层15， 优选由分散在Tefkm⑧粘结剂中的碳或石墨颗粒组成。这种中间层15 是水管理层，所述水管理层通过毛细作用将燃料电池电化学反应生成 的水从阳极和阴极电极6和8带走。还有，中间层15防止活性层13 和电极6和8的催化剂和离子交换聚合物泄漏到扩散介质10和12。 优选地，中间层厚度为5-25nm，最优选厚度为10-15jon。
垫團14和16通常本质上是弹性的，但也可以包括如聚酯和PTFE 的材料。然而，垫團14和16可以是足够密封膜电极组件2的任何材 料。垫圈14和16的优选厚度是气体扩散介质10和12的厚度的大致 1/2至气体扩散介质10和12厚度的大约1Vi倍。
电极6和8和活性层13优选包括0.05-0.4mg/cm2范围内的总催4t 剂加载量。最优选的总催化剂加载量是0.4mg/cm2。优选地，总加载量的25-100%是在电极6和8中，0-75%在活性层13中。更优选地， 总加载量的40-80%在电极6和8中，和20-60%在活性层13中。最优 选地，总加栽量的50%在电极6和8中，50%在活性层13中。同样 地，在最优选实施方案中，电极6和8的加载量优选是0.2mg/cm2， 活性层13的加载量也是0.2mg/cm2。然而，应该理解，以上描述的电 极6和8以及活性层13的催化剂加载量不应限于以上的百分比，并 且电极6和8与活性层13之间的任何百分比的加载量拆分(loading split)都有本发明考虑的。
以上结构的优点是，涂覆催化剂的扩散介质10和12在恶劣的燃 料电池环境中具有极低的退化。燃料电池性能的退化可通过计算水中 由燃料电池电化学反应生成的氟化物洗提进行监测。图2是描述在标 准的涂覆催化剂的膜组件和涂覆催化剂的扩散介质组件之间的氟化 物洗提的量的比较图。每个组件在95匸和300kPa、部分干燥的条件 下进行测试。如图2所示，标准的涂覆催化剂的膜组件经受7x10-7g/cm2/hr的氟化物损失，并在沿催化剂层边缘显现严重的失效前仅持 续了大致65小时。相反地，涂覆催化剂的扩散介质组件仅经受5x 10_9g/cm2/hr的氟化物损失，并持续了大约350小时。当由于扩散介质 10和12的纤维刺破膜4,膜4沿扩散介质10和12的边缘被撕破时， 出现了失效。
同样的，通过利用包括涂覆在扩散介质10和12上的活性层13 以及电极6或8、并且每一区域之间具有总催化剂加载量拆分的拆分 体系结构(split architecture)，整个电池性能得到提高。这是因为 MEA2的拆分体系结构既有通过涂覆催化剂的扩散介质10和12提供 的低退化的优点，又有双层以防止膜4被刺穿的优点。
还有，通过利用完全覆盖离子传导构件4的电极6和8、以及催 化剂涂覆的扩散介质10和12，贯穿离子传导构件4的整个表面的机 械支撑得以实现。即，离子传导构件4受到保护不受为了确保燃料电 池组件的部件之间具有足够的导电性而需要对其进行压缩的高压。这 反过来减少了膜4蠕变和破裂的可能性。
进一步，应该理解阳极电极6和阴极电极8设置在离子传导构件 4上作为连续的、光滑的层，所述层提供了供MEA2的其它元件依靠 的基本上平坦的表面。这一点是有利的，因为当元件如扩散介质10和12和垫圈14和16与燃料电池中的MEA2—起被压缩以促进和提 高在燃料电池的电化学反应中产生的电子的导电率时，离子传导构件 4在其整个表面上将受到均匀的压力。当离子传导构件4在其整个表 面上受到均匀的压力时，将消除离子传导构件4上不适当的应力。同 样的，也将消除可能显现并使MEA 2的寿命缩短以及抑制总体电池 势能的撕破和针孔。
尽管分散在质子传导粘结剂，如NAFION⑧中的被催化的碳或石 墨颗粒已经被描述并且是优选的，但用不同材料代替碳或石墨颗粒和 质子导电粘结剂没有超出本发明的范围。例如，可以使用导电氧化 物、碳化物和氮化物以及特别地，导电金属氧化物、碳化物和氮化物。 更具体地，可以使用如下列具有足够导热率(优选等于或大于碳)的 颗粒物质代替碳或石墨颗粒碳化硅、二氧化钛、二氧化硅、任<可其 它陶瓷、或任何其它材料。也优选地，这种颗粒物质具有等于或小于 15^m的颗粒尺寸、在燃料电池环境中是化学稳定的、并具有足够的 导热率(优选等于或大于碳或石墨颗粒)。
可以用于代替质子传导粘结剂的粘结剂的例子是聚苯并咪唑 (PBI)。其它粘结剂只要满足下列条件就可以是适合的它们维持 与离子交换聚合物膜的良好粘附、在燃料电池环境中化学稳定、在高 达150TC和优选高达200TC热稳定、优选可用溶液浇注、以及浇注膜承 受高达150X:的温度变化后良好保持它们的机械属性。更具体地，阳 极6和阴极8应该包括提供大致相同的拉伸强度、非标准模量、断裂 伸长量、比重、吸水量和线膨胀的材料。
现在将描述本发明的第二实施方案。参照图3A，阳极6和阴极8 每个都包括中心区域18和周围区域20。中心区域18包括笫一催化剂 含量，框住中心区域18的周围区域20包括第二催化剂含量，其中第 一催化剂含量大于第二催化剂含量。具体地，优选阳极6和阴极8的 中心区域18包括催化活性相(例如，Pt)的大约0.05-0.2mg/cm2范围 内的催化剂加载量。特别优选中心区域18包括催化活性相(例如，Pt) 的大约0.2mg/cii^的催化剂加载量。周围区域20优选包括小于以上所 述范围的催化剂加载量和更优选包括O催化剂加载量(例如，Pt)。
中心和周围区域18和20如何设置以保护离子传导构件4和使构 件4受到均匀的机械属性并没有限制。在图3A中，包括中心区域18和周围区域20的阳极电极6和阴极电极8涂覆在离子传导构件4上 以完全覆盖离子传导构件4。同样的，包括活性层13的扩散介质10 和12依靠在阳极电极6和阴极电极8上。垫圏14和16框住扩散介质 10和12并且也依靠在阳极电极6和阴极电极8上以密封所述组件2。 垫圏14和16和涂覆催化剂的扩散介质IO和12可以层压到或不层压 到阳极电极6和阴极电极8上。
相反地，如图3B所示，扩散介质10和12的活性层13可以包括 中心和周围区域28和30。垫圈14和16现在被i殳置成接触离子传导 构件4。包括中心和周围区域28和30的活性层13可以层压到或不层 压到阳极电极6和阴极电极8上。而且，垫團14和16可以层压或不 层压到扩散介质10和12上。
应该理解，中心区域18、 28和周围区域20、 30之间的限定性边 界没有必要如图3A和3B所示存在。更具体地，应该理解，在中心区 域18、 28和周围区域20、 30之间基本上存在有梯度，从而催化剂含 量逐渐从中心区域18、 28中的较大含量变到周围区域20、 30中的较 小含量。这种梯度在例如lmm的范围内存在。进一步，阳极电极6、 阴极电极8、和扩散介质10和12的活性层13应该每一个都以光滑连 续的层形式存在，从而使离子传导构件4在其整个表面上受到基本上 均匀的机械属性，这将保护离子传导构件4不受应力、过度压缩和刺 穿。
采用中心区域18、 28的催化剂含量大于周围区域20、 30的催化 剂含量的构造也提供了优点，因为昂贵的催化剂，优选包括如铂、钯、 钛、钌、铑、鴒、锡或钼的金属催化剂，不会用在其中(电)化学反 应被抑制或不期望的区域中。这种区域位于导电气体扩散介质10和 12的边缘。
周围区域20、 30中的催化剂含量小于中心区域18、 28的"&计的 又一优点是抑制发热。燃料电池中氢和氧的电化学反应除了水之外还 生成热。在燃料电池中，由电化学反应(或由由于气体渗透穿过膜4 或者气体交叉穿过膜4中的针孔导致的化学反应)产生的热通过多孔 气体扩散介质10和12被转移走。然而，在本发明中，为了保护精细 的离子传导构件4不受应力和刺穿，阳极和阴极电极6和8从气体扩 散介质10和12向外延伸。尽管电化学反应速率在扩散介质10和12之外的区域中很大程度上减少(由于电极6和8中的电子面内传导很 弱)，但由于催化剂仍然存在并暴露在气体反应物中，所以仍将产生 热。当气体反应物访问催化剂时，产生热的燃料电池的电化学反应在 周围区域20、 30中仍继续进行；特别地，在膜的针孔小的情况下， 任一种反应物(H2或0。的渗入都将引起产生热的化学反应。同样， 在中心区域18、 28和周围区域20、 30之间沿梯度降低催化剂含量， 优选降至0，将减少和抑制生热量。
在包括中心区域18、 28和周围区域20、 30的第二实施方案中， 应该指出，只要每一区域的机械属性基本上相同，从而沿离子传导构 件4的表面没有经历属性上的不连续，那么中心区域18、 28和外部 区域20、 30可以采用不同的材料。例如，中心区域18、 28和外部区 域20、 30可包括不同的催化剂涂覆的导电支撑颗粒，比如碳、石墨 或导电氧化物、碳化物和氮化物，特别是导电金属氧化物、碳化物和 氮化物。而且，具有足够热导率(优选地等于或大于碳)的相对不导 电的颗粒物质，如碳化硅、二氧化钛、二氧化硅、任何其它陶器或任 何其它材料，可以替换碳或石墨颗粒使用。
除了减少使用的昂贵的催化剂的量和产生的热的量以外，第二实 施方案中还可以抑制和消除过氧化氢(H202)的产生。即，在燃料电 池正常运行过程中，氢和氧气渗透穿过离子传导构件4分别到达阴极 8和阳极6，从而氧存在氢燃料中。当这些反应物气体与电极的电化 学活性材料接触时，氧被还原并与从氢燃料气体的氧化产生的H+离 子反应。这种在还原的氧和H+离子之间的得以确保的副反应产生 H202，如下所述
02+2H++2e=H202
这种H202的产生已知会引起膜4的退化，并从而，引起缩短燃 料电池寿命和降低性能。参照图4,描述了现有技术膜电极组件2。 如图4所示，现有技术膜电极组件包括设置在膜4和垫圏14和16之 间并在垫團14和16下面的副垫團22和24。由于垫團14和16与副 垫圏22和24的制造公差，燃料电池气体更易于在膜4的边缘在燃料 电池的元件之间由这些制造/>差引起的称作间隙50处'渗透膜4。因 而，反应物气体的冷凝流26能在电极的边缘处聚集。
现在参照图5，其中电极6、 8的周围区域20围绕中心区域18，聚集在周围区域20中的气体29的冷凝流向中心区域18迁移。当氧的 冷凝流29接触电化学活性区域时，开始生成11202。因此，膜4的退 化典型地出现在阳极和阴极6和8的边缘，更具体地，在中心区域18 的边缘处。
为抑制和消除11202的产生，电极6和8的周围区域20可以形成 具有用于代替碳的电化学活性材料的非导电支撑。通过使用非导电支 撑，消除了完成氧和氢的反应所需的电子的传导通路。因此，产生 H202的反应不能发生。可以使用的非导电支撑颗粒的例子是氧化锆、 沸石、氧化钛、氧化铝和火成氧化硅，但不局限于此。优选的非导电 支撑是火成氧化硅。
然而，应该理解，只要机械属性沿膜的表面是均匀的并且可以承 受恶劣的燃料电池环境，那么可以使用任何非导电支撑。即，支撑颗 粒应该在酸性和高温环境是惰性的。还有，非导电支撑的颗粒尺寸应 该优选小于10jim，更优选小于lpm以及最优选在20-30nm的范围。
也应该理解，优选利用用柏族金属催化的非导电支撑颗粒，所述 铂族金属如铂、钯、铑、钌、铱、锇和它们的合金。除了上述催化剂， 只要它是低温氢/氧气相重组催化剂，那么本领域已知的任一另外的催 化剂都可以使用。即，催化剂应该在小于1001C时对氢和氧是活性的， 并在酸性和潮湿燃料电池环境中稳定。优选在非导电支撑颗粒上催化 剂的加载浓度小于5%和更优选在1-5%的范围。
而且，应该理解，阳极电极6和阴极电极8仍然以光滑、连续的 层形式存在，从而离子传导构件4面向电极层6和8，在其整个表面 上具有基本上均匀的机械属性，这将保护离子传导构件4不受应力、 过度压缩和刺穿。还有，还应该理解，梯度也将在中心区域18和周 围区域20之间存在，从而催化剂含量逐渐从中心区域18中较大含量 变到周围区域20中较小含量。这种梯度在例如lmm的范围内存在。
对形成11202的这一难题的又一解决方案是在周围区域20中使用 粘结剂，是离子非传导粘结剂。按这种方式，消除了质子传导通路。 这种粘结剂的例子是热塑性树脂，如PBI。其它粘合剂可能是合适的 并且也在本发明的考虑之内，只要其维持与离子交换聚合物膜4的良 好粘附、在燃料电池环境(即，酸性环境，有H2存在下阳极电势为 (OVvs. RHE)，有空气或02的存在下阴极电势为(1.2Vvs. RHE)，和痕量氟化物)中化学稳定、直至150X:和优选直至2001C热稳定、是 优选可由溶液浇注的、和在浇注膜承受高达150"C的温度变化之后良
好地维持机械属性即可。
产生H202的又一解决方案是同时使用以上两种解决方案。更具 体地，可能理想地是在离子非传导粘结剂中分散非导电支撑颗粒和气 相重组催化剂。用这种方式，消除了用于电子和质子完成反应以形成 11202所需的传导通路。而且，尽管根据以上三种方案中的一个最优选 地是对阳极和阴极电极6和8两者进行改性，但本发明不应局限由 此。即，阳极6或阴极8可以单独地进行改性以包括非导电支撑、离 子非传导粘结剂或两者。还有，阴极8包括非导电支撑和阳极6包括
离子非传导粘结剂或相反，都没有超出本发明的范围。
以上每一个实施方案中，中心区域18和周围区域20可以用细分 催化剂颗粒催化，从而周围区域20的催化颗粒与碳或石墨颗粒的重 量比小于中心区域18的重量比。很明显将会遇到这种情况周围区 域20没有包含任何催化剂颗粒，而中心区域18被催化。在两种区域 中都包含催化颗粒的实施方案中，优选中心区域18中催化颗粒与碳 颗粒的重量比大于周围区域20中的重量比。
才艮据本发明，现在描述制备MEA2的方法。为了制备阳极6、阴 极8和扩散介质的活性层，制备了催化的碳颗粒并接着与离子交换聚 合物粘结剂(和浇铸溶剂成溶液形式)结合。优选地，阳极6、阴极8 和活性层包括l/3碳或石墨、1/3离子交换聚合物和1/3催化剂。优选 的浇注溶剂本质上是水性的或醇性的，但也可以使用溶剂如二甲基乙 酸(DMAc)或三氟乙酸(TFA)。
浇注溶液施加到适于使用在贴花法中的片上，优选片是聚四氟乙 烯(Teflonated)片。所述片随后被热压到离子传导构件4，如PEM 上。所述片接着被剥离，催化剂涂覆的碳或石墨保持嵌入，作为连续 的电极6或8。浇注层直接施加到扩散介质以制造活性层13。
为了制备中心区域18和周围区域20，可以利用两种浇注溶液。 更具体地，笫一种浇铸溶液施加到适于贴花法的片以形成中心区域 18。第一浇注溶液含有预定含量的催化颗粒。第二浇注溶液接着施加 到所述片上以在周围框住中心区域18作为周围区域20。第二浇注溶 液也具有预定含量的催化颗粒。笫二浇注溶液可以具有小于第一浇注
13溶液的催化颗粒含量，或者可以根本不包含催化剂。所述片接着随后
被热压到离子传导构件4并接着被剥离，留下嵌入在离子传导构件上 的中心区域18和周围区域20。
在第一浇注溶液已经施加之后直接施加第二浇注溶液，使得第一 浇注溶液没有完全干燥或固化。用这种方式施加浇注溶液将确保形成 光滑、连续的层，从而电极6和8或活性层中没有不连续。而且，用 这种方式施加浇注溶液将允许梯度在中心区域18和周围区域20之间 形成。在上述方法的变体中，可以优选基本上同时施加第一和第二浇 注溶液。
关于制备带有设置在活性层和扩散介质之间的中间层的MEA的 方法，本发明不应该被局限于特定方法。例如，中间层可以涂或喷射 到扩散介质上并允许填充扩散介质表面上的多孔区域。
本发明的描述实质上仅仅是举例，因而，没有背离本发明的要旨 的改变将落在本发明的范围之内。这种改变不视为背离本发明的精神 和范围。
权利要求
1、用于燃料电池的组件，包括具有主表面的离子传导膜；面向所述膜主表面并具有活性层的导电构件，所述活性层具有活性层催化剂含量；和在所述离子传导膜和所述导电构件之间的电极，所述电极在所述膜主表面处具有主表面，和所述电极具有电极催化剂含量。
2、 根据权利要求1所述的组件，其中所述电极催化剂含量和所 述活性层催化剂含量每一种都包括分散在粘结剂中的催化的碳颗 粒。
3、 根据权利要求1所述的组件，其中所述电极具有基本上与所 述膜相同的周围范围，和其中所述电极还包括中心区域和周围区域， 所述中心区域具有分散在粘结剂中的第一组催化的颗粒，和所述周围 区域具有分散在粘结剂中的、催化的或未催化的第二组颗粒。
4、 根据权利要求3所述的组件，其中所述第二组颗粒选自由氧 化锆、沸石、氧化钛、氧化铝和火成氧化硅和其混合物组成的组。
5、 根据权利要求3所述的用于燃料电池的组件，其中所述中心 和周围区域的粘结剂是相同的。
6、 根据权利要求3所述的组件，其中所述颗粒每一种都具有等 于或小于15[Am的颗粒尺寸。
7、 根据权利要求3所述的组件，其中所述第一和第二组颗粒用 催化剂催化以提供所述催化剂含量，并且所述活性层催化剂和所述电 极催化剂是不同的。
8、 根据权利要求3所述的组件，其中所述第一和第二组颗粒用 催化剂催化，以提供所述催化剂含量，并且所述活性层催化剂和所述 电极催化剂是相同的。
9、 根据权利要求3所述的组件，其中所述催化剂选自由铂、钯、 钛、钌、铑、鵠、锡、钼、铱、锇、其合金和其混合物组成的组。
10、 根据权利要求3所述的组件，其中所述中心区域和所述周围 区域每一个都给离子传导构件提供基本上类似的机械支撑，从而使所 述膜的挠曲最小化。
11、 根据权利要求3所述的组件，其中所述周围区域是热传导的。
12、 根据权利要求3所述的组件，其中所述电极是连续层的形式， 所述周围区域包围所述中心区域。
13、 根据权利要求3所述的组件，其中所述周围区域是非导电的。
14、 根据权利要求3所述的组件，其中第一组颗粒分散在离子传 导粘结剂中，所述第二组颗粒分散在离子非传导粘结剂中。
15、 根据权利要求1所述的组件，其中电极催化剂含量和活性层 催化剂含量是基本上相同的。
16、 根据权利要求1所述的组件，其中所述电极催化剂含量包括 所述组件的总催化剂含量的50%,所述活性层催化剂含量包括所述组 件的总催化剂含量的50%。
17、 根据权利要求1所述的组件，其中所述组件的总催化剂含量 在0.05-0.4mg/cm2的范围内。
18、 根据权利要求1所述的组件，其中电极催化剂含量包括所述 组件的总催化剂含量的25-100%,活性层催化剂含量包括所述组件的 总催化剂含量的0-75%。
19、 根据权利要求1的用于燃料电池的组件，其中所述活性层还 包括中心区域和周围区域，所述中心区域具有分散在粘结剂中的第一 组颗粒，所述周围区域具有分散在粘结剂中的第二组颗粒。
20、 根据权利要求1所述的组件，其中所述导电构件还包括中间 层，所述中间层包括分散在粘结剂中的碳颗粒，并连接所述活性层和 所述导电构件。
21、 根据权利要求20所述的组件，其中所述中间层是水管理层。
22、 膜电极组件，包括 具有主表面的离子传导膜；在所述主表面处的电极，所述电极限定支撑所述膜的连续层；和 邻近所述电极并包括活性层的导电构件；其中所述电极和所述活性层中至少一个包括中心区域和周围区 域；和电化学活性材料的梯度存在所述中心区域和所述周围区域之 间，从而所述电化学活性材料的含量在所述中心区域大于所述周围区 域。
23、 根据权利要求22所述的膜电极组件，其中所述中心区域包括导电的第一组颗粒，和所述周围区域包括非导电的第二组颗粒。
24、 根据权利要求22所述的膜电极组件，其中所述电极限制所述 膜的移动。
25、 根据权利要求22所述的组件，其中所述中心区域包括保持导 电颗粒和活性材料的离子传导粘结剂。
26、 根据权利要求22所述的组件，其中所述周围区域包括保持所 述非导电颗粒和所述活性材料的离子非传导粘结剂。
27、 根据权利要求22所述的组件，其中所述周围区域还包括热传 导材料。
28、 根据权利要求26所述的组件，其中所述离子非传导粘结剂是 热塑性树脂。
29、 根据权利要求22所述的组件，其中所述电极和所述活性层还 分别包括第一催化剂含量和第二催化剂含量；和所述第一催化剂含量包括所述组件的总催化剂含量的50%,和所 述第二催化剂含量包括所述组件的总催化剂含量的50% 。
30、 根据权利要求22所述的组件，其中所述导电构件还包括中间 层，所述中间层包括分散在粘结剂中的碳颗粒并连接所述活性层和所 述导电构件。
31、 根据权利要求30所述的组件，其中所述中间层是水管理层。
全文摘要
膜电极组件包括离子传导构件、电极和包括活性层的导电构件，其中电极是完全覆盖和支撑离子传导构件的光滑、连续的层。电极和活性层还分别包括第一和第二催化剂含量；总催化剂含量的50％在电极中，总催化剂含量的50％在活性层中。
文档编号H01M4/86GK101443935SQ200580046039
公开日2009年5月27日 申请日期2005年10月18日 优先权日2004年11月5日
发明者A·B·拉孔蒂, B·A·利泰尔, B·索姆帕利, S·G·甄 申请人:通用汽车公司