专利名称：微孔层组装件和其制备方法
技术领域：
本公开物所涉及的领域包括燃料电池层，后者包括微孔层，以及包括该燃料电池层的产品，和制备它们的方法。
背景技术：
氢是非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且能够用于在燃料电池中高效地生产电能。汽车工业在作为车辆动力源的氢燃料电池电源的开发过程中消耗大量的资源。此类车辆将比今天的采用内燃机的车辆是更有效的和产生更少的排放物。
氢燃料电池是包括阳极和阴极且在两者之间有电解质的电-化学设备。阳极接收富氢的气体或纯氢和阴极接收氧或空气。氢气化在阳极上氧化产生质子和电子。质子穿过该电解质到达阴极。质子与氧气和电子在阴极上反应产生水。来自阳极的电子不能通过该电解质，因此在被送至阴极之前被引导通过一个荷载以做功。该功可用于操作例如车辆。
质子交换膜(PEM)燃料电池已经普及用于车辆应用。PEM燃料电池一般包括固体-聚合物-电解质型质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包括细分散的催化颗粒，通常铂(Pt)，担载在碳粒子上并与离聚物混合。催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物，阴极催化混合物，和膜的结合物确定了膜电极组装件(MEA)。MEA制造起来相对昂贵并且需要某些条件以进行有效操作。这些条件包括合适的水管理和增湿，以及催化剂毒害性成分如一氧化碳(CO)的控制。
几个燃料电池典型地被组合在燃料电池堆中产生所需的电力。该燃料电池堆包括位于在堆中的MEA之间的一系列的流场或双极板(bipolar plate)。该双极板包括在堆中的相邻燃料电池的的阳极侧和阴极侧。该燃料电池堆接收流入到堆的阳极侧的阳极氢反应性气体。阳极气流通道被提供在双极板的阳极侧上，让阳极气体流向MEA的阳极侧。该燃料电池堆接收阴极反应性气体，典型地由压缩机迫使穿过堆的空气流。在双极板的阴极侧上提供阴极气体流动通道，允许阴极气体流向MEA的阴极侧。不是全部的氧被堆消耗，并且一些的空气是作为阴极废气被输出，该阴极废气可包括液态水作为堆副产物。该双极板也可包括冷却流体的流动通道。车用燃料电池堆，例如，可包括大约两百个或更多个双极板。
本发明的举例性实施方案的概述
一个实施方案包括一种包括下列步骤的方法将第一微孔层涂覆到第一贴花膜上，然后固化该第一微孔层和第一贴花膜(decal)。
本发明的其它举例性的实施方案将从后面提供的详细说明变得更加清楚。应该理解的是，详细说明和特定的例子，尽管公开本发明的举例性实施方案，是仅仅为了举例说明而已并且不希望限制本发明的范围。
附图的简述
本发明的举例性实施方案将从详细说明和附图更充分地理解，其中
图1举例说明根据一个实施方案的方法。
图2举例说明根据一个实施方案的方法。
图3举例说明根据一个实施方案的方法。
图4举例说明根据一个实施方案的方法。
图5举例说明根据一个实施方案的方法。
图6举例说明根据一个实施方案的产品。
图7举例说明根据一个实施方案的产品。
图8举例说明根据一个实施方案的产品。
图9是电势-电流密度的曲线图。
示例性实施方案的详细说明
实施方案的下列描述在性质上仅仅是举例而已，无论如何不希望限制本发明，它的应用，或用途。
在一个实施方案中，提供了制造具有微孔层的MEA 25的方法。参见图1，提供贴花膜坯料(decal blank)26。在一个实施方案中，该贴花膜坯料26可以是发泡聚四氟乙烯(ePTFE)，聚四氟乙烯(PTFE)，或Kapton聚酰亚胺薄膜(聚(4，4’-氧二亚苯基-均苯四甲酰亚胺))(可以从杜邦公司商购)。然后将第一微孔层22涂覆到该贴花膜26之上。在一个实施方案中，第一微孔层22可以通过使用微孔层油墨来涂覆。在一个实施方案中，第一微孔层22可以通过迈尔(Meyer)涂棒涂覆并让其干燥。接下来，将具有第一微孔层22的贴花膜26放置于烘箱中并在第一温度下固化。在一个实施方案中，该第一温度可以是在微孔层油墨中聚合物的玻璃化转变温度(T)。在一个实施方案中，在微孔层油墨中的聚合物可以是氟聚合物。在合适的固化时间之后，例如约15分钟-约60分钟，具有第一微孔层22的该贴花膜26可以冷却到室温。
参见图2，然后阴极电极或阴极催化剂层18涂覆在第一微孔层22上。第一微孔层22可以粘附于阴极催化剂层18上。在一个实施方案中，该催化剂层18可以使用催化剂油墨来涂覆。参见图3，然后在阴极催化剂层18上提供膜12。在一个实施方案中，该膜12可以是聚合物电解质膜。具有第一微孔层22和阴极催化剂层18的贴花膜26被热压到该膜12上，使得阴极催化剂层18与膜12的第一面14接触。如图4中所示，任选地，然后该贴花膜26可以剥离掉，第一微孔层22和阴极催化剂层18保持粘附于该膜12。可以使用在现有技术中已知的热压的温度，压力和时间的条件。例如，热压条件可以包括在295°F和250psi下4分钟的加压时间。
刚刚描述的方法然后用第二贴花膜坯料27，第二微孔层24，以及阳极电极或阳极催化剂层20来重复。如图5中所示，第二微孔层24和阳极催化剂层20可以热压到膜12的第二面16上。然后剥离掉第二贴花膜27。在另一个实施方案中，具有第一微孔层22和阴极电极18的贴花膜26，和具有第二微孔层24和阳极电极20的贴花膜27，可以同时热压到膜12的相对面上。
如图6-7中所示，所得产品10的横截面视图显示了，从底部开始，第一微孔层22，阴极催化剂层18，膜12，阳极催化剂层20，和第二微孔层24。在一个实施方案中，第一和第二微孔层22，24的厚度可以是约2μm-约100μm。在一个实施方案中，第一和第二微孔层22，24的厚度可以是约15μm-约40μm。图6-7可以描述为具有微孔层22，24的MEA 25。参见图6，在一个实施方案中该膜12可以延伸超过该微孔层22，24和该催化剂层18，20。参见图7，在一个实施方案中该膜12和微孔层22，24可以延伸超过催化剂层18，20。在各种实施方案中，该膜12和该微孔层22，24可具有或不具有相同的有效面积(active area)。在各种实施方案中，该电极18，20和微孔层22，24可具有或不具有相同的有效面积。
参见图8，在一个实施方案中第一气体扩散介质层52可以位于第一微孔层22上方，和第二气体扩散介质层54可以位于第二微孔层24上方。仍然参见图8，在一个实施方案中，该产品10可以是包括MEA 25的燃料电池28，该MEA 25具有如上所述分别粘附于催化剂层18，20上的微孔层22，24。该燃料电池28可以包括至少一个双极板30。该双极板30可具有第一面32和第二面34。该双极板14可以包括两个片层36和38。这两个片层36和38可以是机加工的或冲压的(stamped)。该两个片层36和38可以焊合在一起。在第一面32中形成了包括流动通道40和纹脊(lands)42的反应性气体流场。在第二个面层34上方可以提供冷却流体流动通道44。
仍然参见图8，在本发明的一个实施方案中该燃料电池28可以包括两个双极板30，第一燃料电池双极板46和第二燃料电池双极板48。该双极板46，48可以包括各种材料，这些包括但不限于，金属，金属合金，和/或导电性复合材料。在一个实施方案中，该双极板46，48可以是不锈钢。在一个实施方案中，方法包括将第一双极板46置于第一气体扩散介质52上方，和将第二双极板48置于第二气体扩散介质54上方。
在第一双极板46和第二双极板48之间提供软性物品部分(soft goods portion)50。该软性物品部分50可以包括所述的包括第一面14和第二面16的聚合物电解质膜12。阴极电极18可以粘附于聚合物电解质膜12的第一面14，和第一微孔层22可以粘附于阴极电极18。第一气体扩散介质层52可以在第一微孔层22上面。第一气体扩散介质层52可以是疏水性的。第一双极板46可以在第一气体扩散介质层52上面。
阳极电极20可以粘附于聚合物电解质膜12的第二面16上，和第二微孔层24可以粘附于阳极电极20上。第二气体扩散介质层54可以位于第二微孔层24之下。第二气体扩散介质层54可以是疏水性的。第二双极板48可以位于第二气体扩散介质层54之下。
再次提及微孔层22，24，在一个实施方案中该微孔层22或24可以包括许多的颗粒，例如包括石墨化碳或炭黑，以及粘结剂。在一个实施方案中该粘结剂可包括疏水性试剂或聚合物，例如但不限于，聚偏二氟乙烯(PVDF)，氟乙烯丙烯(FEP)，聚四氟乙烯(PTFE)，或其它有机或无机疏水性材料。该颗粒和粘结剂可以包含在液相中，所述液相可以是例如有机溶剂和水的混合物以得到分散体。在各种实施方案中，溶剂可以包括2-丙醇，1-丙醇或乙醇等中的至少一种。在一个实施方案中，该微孔层22，24可具有从约2到约100微米的厚度，可以包括60-90wt％的颗粒和10-40wt％的粘结剂。该微孔层22，24可具有从约50nm到约100nm的平均孔隙大小。
在另一个实施方案中，微孔层油墨是通过在120rpm的缸式磨机中将下列成分与30ml研磨介质混合约20小时来形成的2.4g乙炔黑，37ml去离子的H2O，32ml异丙醇，和0.2g(NH4)2CO3。然后将2.21g的在IPA中的36wt％聚偏二氟乙烯(PVdF)溶液添加到微孔层油墨中。该瓶子然后手工振荡。然后混合物用70号的迈尔涂棒涂覆到发泡的PTFE贴花膜上。让该贴花膜空气干燥，然后放入到预热至150℃的烘箱中并吸热(soak)1小时。在固化该聚合物之后，该贴花膜和微孔层结合物用合适的催化剂油墨涂覆，并按照传统的贴花膜转移方法(decal transfer process)来制造MEA。在一个实施方案中，乙炔碳黑的合适的替代材料可包括，但不限于，XC-72，黑珍珠炭黑，和Ketjen炭黑。在另一个实施方案中，PVDF的合适替代材料可包括，但不限于，熔点比贴花膜材料熔点低的任何氟化聚合物，例如氟化乙烯丙烯(FEP)和氟化丙烯酸酯。在另一个实施方案中，pH调节材料(NH4)2CO3的合适替代材料可包括，但不限于，不抑制离聚物的碱性组分，例如NH4OH。
图9显示本发明实施方案与其它燃料电池组与的对比。所显示的极化曲线是在50cm2平台上运行，并且试验条件是如下270kpa绝对压力，100％入口RH，60℃电池温度，以及2/2化学计量的氢气和空气。这一条件是在入口处充分地饱和，并且当产生水时有液态水冷凝在电池中；因此这一条件增强了(stress)微孔层和扩散介质除去水的能力。在图9中示出的本发明实施方案是在MEA 25上有第一微孔层22的燃料电池28，并且由具有正方形标记的线条表示。具有三角形标记的线条表示具有可商购独立式微孔层的燃料电池。具有圆形标记的线条表示具有在扩散介质层上形成的微孔层的燃料电池，这是现有技术中已知的。通过高频电阻(HFR)矫正的数据点，它们被指定为“IR Free”曲线，表明与在扩散介质层上的微孔层相比较，对于在MEA上的微孔层没有附加的输送阻力。如图9中所示，在MEA上有微孔层的燃料电池与在扩散介质层上有微孔层的燃料电池发挥同样好地功能直到约1.2 A/cm2的电流密度，并且在大于1.2 A/cm2的电流密度下比商购的独立式微孔层更好地发挥功能。
在燃料电池操作期间，对于MEA25施加许多的应力(stresses)。例如，该MEA可以吸收水，拉伸，收缩，压缩，感触张力(feel tenstion)，等等。在一个实施方案中，当催化剂层18，20直接涂覆到微孔层22，24之上时，该微孔层22，24可以为MEA 25或燃料电池28增加耐久性。该微孔层22，24可以对MEA 25提供机械支持。在其它实施方案中，该微孔层22，24可以减慢MEA 25的干燥过程并且保护MEA 25免受巨大破坏。该微孔层22，24可以保护该膜12免遭被来自扩散介质层52，54的纤维的穿刺。在另一个实施方案中，涂覆在微孔层22，24之上的催化剂层18，20通过产生没有空隙的紧密界面有助于在燃料电池28内的水处理。这有助于从燃料电池28中除水。
在各种实施方案中，该膜12可以包括各种不同类型的膜。在一个实施方案中，该膜12可以是全氟化磺酸聚合物电解质，其中整个膜结构具有离子交换特性。这些膜是可商购的，并且商购的含磺酸基的全氟化碳质子传导性膜的典型例子由E.I.DuPont D Nemours &Company以商标名称NAFION销售。其它此类膜可从Asahi Glass和Asahi Chemical Company商购。其它类型的膜12，例如，但不限于，全氟化阳离子交换膜，烃型的阳离子交换膜和阴离子交换膜的使用也是在本发明的范围内。
在一个实施方案中，第一气体扩散介质层52或第二气体扩散介质层54可以包括任何导电性多孔材料。在各种实施方案，气体扩散介质层52或54可以包括非织造碳纤维纸或织造碳纤维布，它们可以用疏水性材料处理，这些材料例如是，但不限于，聚偏二氟乙烯(PVDF)，氟乙烯丙烯，或聚四氟乙烯(PTFE)的聚合物类。气体扩散介质层52或54可具有从5μm到40μm的平均孔隙大小。气体扩散介质层52或54可具有从约100到约500μm的厚度。
在一个实施方案中，阴极电极18和阳极电极20(阴极层和阳极层)可以是催化剂层，该催化剂层可以包括催化剂颗粒如铂，和与该颗粒混合的离子传导性材料如质子传导性离聚物。该质子传导性材料可以是离聚物如全氟化磺酸聚合物。该催化剂材料可以包括金属如铂，钯，以及金属的混合物如铂和钼、铂和钴、铂和钌、铂和镍、铂和锡，其它铂族过渡金属合金，和现有技术中已知的其它燃料电池电催化剂。任选地，该催化剂材料可以是细分散的。该催化剂材料可以未担载的或担载在各种材料上，例如但不限于，细分散的碳颗粒。
当该术语“在...上方(之上)”，“在...上面”，“在...上面”，或“在...之下”，“位于...之下”，“位于...下方”在关于第一组分或层相对于第二组分或层的相对位置而使用时，这将指第一组分或层与第二组分或层直接接触，或附加的层或组分被插入在第一组分或层和第二组分或层之间。
本发明的实施方案的以上描述在性质上仅仅是举例说明而已，因此，本发明的实施方案的变化不被认为脱离了本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种方法，包括
将第一微孔层涂覆到第一贴花膜之上；和
固化第一微孔层和第一贴花膜。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括
将第一催化剂层涂覆在第一微孔层上，以使第一催化剂粘附于第一微孔层上。
3.根据权利要求2的方法，进一步包括
提供包括第一面和第二面的膜；和
将第一微孔层和第一催化剂层热压到该膜的第一面上。
4.根据权利要求3的方法，进一步包括
将第二微孔层涂覆到第二贴花膜之上；
固化第二微孔层和第二贴花膜；
将第二催化剂层涂覆在第二微孔层之上；和
将第二微孔层和阳极催化剂层热压到该膜的第二面上。
5.根据权利要求2的方法，进一步包括
将第二微孔层涂覆到第二贴花膜之上；
固化第二微孔层和第二贴花膜；
将第二催化剂层涂覆在第二微孔层之上；
提供包括第一面和第二面的膜；和
同时地将第一微孔层和第一催化剂层热压到该膜的第一面上，和将第二微孔层和阳极催化剂层热压到该膜的第二面上。
6.权利要求5的方法，其中第一贴花膜和第二贴花膜包括发泡聚四氟乙烯(ePTFE)，聚四氟乙烯(PTFE)，或聚(4，4’-氧基二亚苯基-均苯四甲酰亚胺)中的一种。
7.权利要求1的方法，其中第一微孔层和第一贴花膜是在第一微孔层中的聚合物的玻璃化转变温度下固化。
8.权利要求5的方法，其中第二微孔层和第二贴花膜是在第二微孔层中的聚合物的玻璃化转变温度下固化。
9.权利要求3的方法，其中该膜包括聚合物电解质膜。
10.权利要求5的方法，其中第一和第二催化剂层包括催化剂颗粒和离子传导性材料。
11.权利要求5的方法，其中第一和第二微孔层包括炭黑。
12.根据权利要求5的方法，进一步包括
除去第一贴花膜并在第一微孔层上提供第一气体扩散介质层；
在第一气体扩散介质层上提供第一双极板，其中该第一双极板包括多个的纹脊和通道；
除去第二贴花膜并在第二微孔层上提供第二气体扩散介质层；和
在第二气体扩散介质层上提供第二双极板，其中第二双极板包括多个的纹脊和通道。
13.权利要求1的方法，其中第一微孔层包括石墨化碳或炭黑中的至少一种和疏水性试剂。
14.权利要求13的方法，其中疏水性试剂包括碳氟化合物。
15.一种产品，它包括
贴花膜；和
在该贴花膜上面的微孔层。
16.权利要求15的产品，进一步包括粘附于微孔层上的催化剂层。
17.权利要求16的产品，进一步包括在该催化剂层上面的膜。
18.权利要求16的产品，其中该催化剂层包括催化剂颗粒和离子传导性材料。
19.权利要求15的产品，其中该微孔层包括炭黑或石墨化碳中的至少一种。
20.权利要求19的产品，其中微孔层进一步包括聚偏二氟乙烯，氟乙烯丙烯，聚四氟乙烯，有机疏水性材料，或无机疏水性材料中的至少一种。
21.权利要求15的产品，其中该微孔层具有约50到约100μm的平均孔隙大小。
22.一种产品，包括粘附于催化剂层上的微孔层。
23.权利要求22的产品，进一步包括在该催化剂层上面的膜。
24.权利要求23的产品，进一步包括在该微孔层上面的气体扩散介质层。
25.权利要求24的产品，进一步包括在气体扩散介质层上面的双极板，其中该双极板包括多个的纹脊和通道。
全文摘要
本发明涉及微孔层组装件和其制备方法。一个实施方案包括一种包括下列步骤的方法将第一微孔层涂覆到第一贴花膜上，然后固化该第一微孔层和第一贴花膜。
文档编号H01M4/88GK101483242SQ20091000263
公开日2009年7月15日 申请日期2009年1月9日 优先权日2008年1月11日
发明者J·E·奥维简, H·A·加斯泰格 申请人:通用汽车环球科技运作公司