带有亲水性添加剂的微孔层的制作方法
【专利说明】带有亲水性添加剂的微孔层
【背景技术】
[0001] 质子交换膜燃料电池（PEMFC)通常包括阳极、阴极和在阳极与阴极之间的质子交 换膜（PEM)。在一示例中，氨气被进给到阳极并且空气或纯氧气被进给到阴极。然而，应认 识到可W使用其它类型的燃料和氧化剂。在阳极处，阳极催化剂造成氨分子分成质子（H+) 和电子（。。质子穿过PEM到阴极，而电子通过外部电路行进到阴极，导致发电。在阴极处， 阴极催化剂造成氧分子与来自阳极的质子和电子起反应W形成水。
[0002] 为了使燃料电池适当起作用，必须管理在阴极附近存在的水量。一方面，在阴极附 近存在的太多的水将造成"水淹"，从而干扰反应物(空气或氧气）到阴极的递送并且可能防 止燃料电池反应。另一方面，从燃料电池损失太多水蒸气可能造成PEM干燥，增加了跨越膜 两端的电阻。最终，膜将开裂并且形成一个或多个路径，在该些路径中，氨和氧能直接结合， 生成热，热可能会损坏燃料电池。某些燃料电池能在高温和低温操作。取决于操作温度，水 管理需要可能显著不同。例如，在低操作温度通常更多地关注水淹，而在高操作温度通常更 多地关注水蒸气的损失。
【发明内容】
[0003] 一种用于燃料电池的微孔层包括；第一炭黑，其具有浓度小于每克炭0. 1 mmol的 駿基；疏水性添加剂和亲水性添加剂。
[0004] -种气体扩散电极包括电极催化剂层、多孔性气体扩散层和微孔层。气体扩散层 具有靠近电极催化剂层的第一侧和与第一侧相对的第二侧。微孔层定位于电极催化剂层与 气体扩散层的所述第二侧之间。微孔层包括：第一炭黑，其具有浓度小于每克炭0.1 mmol 的駿基；疏水性添加剂和亲水性添加剂。
[0005] -种燃料电池包括；膜，其具有第一膜侧和相对第二膜侧；阳极催化剂层，其沿着 所述第一膜侧定位；阴极催化剂层，其沿着第二膜侧定位；阴极气体扩散层，其具有靠近阴 极催化剂层的第一侧和与第一侧相对的第二侧；W及，微孔层，其定位于阴极催化剂层与 阴极气体扩散层的第二侧之间。微孔层包括：第一炭黑，其具有浓度小于每克炭0.1 mmol 的駿基；疏水性添加剂和亲水性添加剂。
[0006] -种用于生产膜电极组件的方法包括；制备微孔层油墨；将微孔层油墨施加/涂 覆到气体扩散基板的第一侧上；烧结气体扩散基板W形成气体扩散层，气体扩散层具有带 微孔层的第一侧；W及将气体扩散层的第一侧热结合到电极层上。微孔层油墨包括息浮介 质、具有小于每克碳0. 1 mmol浓度駿基的第一炭黑、疏水性添加剂和亲水性添加剂。亲水性 添加剂选自氧化锡、二氧化铁、W及第二炭黑，第二炭黑具有比第一炭黑更大的駿基浓度。
【附图说明】
[0007] 图1为燃料电池重复单元的透视图。
[000引图2为图1的燃料电池重复单元的电极、气体扩散和微孔层的放大视图。
[0009] 图3为示出了用于生产组合电极组件的方法的简化流程图。
[0010] 图4为示出带有亲水性添加剂和不带亲水性添加剂的微孔层的测试结果的曲线 图。
[0011] 图5为示出带有亲水性添加剂和不带亲水性添加剂的微孔层的测试结果的另一 曲线图。
【具体实施方式】
[0012] 燃料电池使用一个或多个燃料电池重复单元将化学能转变成电能。本文所描述的 燃料电池重复单元包括了在阴极和/或阳极电极附近的微孔层W辅助水管理。微孔层包括 亲水性添加剂，亲水性添加剂能在低温操作和高温操作期间进行水管理，提供能在低温和 高温操作的燃料电池。
[0013] 图1示出一个示例燃料电池重复单元10的透视图，燃料电池重复单元10包括；膜 电极组件（MEA) 12 (具有阳极催化剂层（CL) 14、膜16和阴极催化剂层（CL) 18);阳极气体 扩散层（GDL) 20 ;阴极气体扩散层（GDL) 22 ;阳极流场24和阴极流场26。燃料电池重复单 元10可W具有邻近于阳极流场24和阴极流场26的冷却剂流场。在图1中并未示出冷却 剂流场。
[0014] 阳极GDL 20朝向阳极流场24并且阴极GDL 22朝向阴极流场26。阳极化14定 位于阳极GDL 20与膜16之间并且阴极化18定位于阴极GDL 22与膜16之间。在一实例 中，燃料电池重复单元10可W是聚合物电解质膜（PEM)燃料电池，其使用氨燃料(例如氨 气）和含氧的氧化剂(例如，氧气或空气)。应当认识到燃料电池重复单元10可W使用替代 燃料和/或氧化剂。
[0015] 在操作中，阳极GDL 20通过阴极流场24接收氨气化2)。氨气行进通过GDL 20到 阳极化14。包含催化剂诸如笛的阳极化14造成氨分子分成质子or)和电子（e-)。质子 和电子行进到阴极化18,质子穿过膜16到阴极化18,而电子穿过外部电路28行进，导致 电力产生。空气或纯氧（〇2)通过阴极流场26供应到阴极GDL 22。氧气通过GDL 22行进 到阴极化18。在阴极化18处，氧分子与来自阳极化14的质子和电子起反应W形成水 (&0)。最后，某些生成的水W及过量热离开燃料电池10。
[0016] 膜16是位于阳极化14与阴极化18之间的半渗透膜（semi-perme油le membrane)。膜16允许质子和水移动但并不传导电子。来自阳极CL 14的质子和水能通 过膜16移动到阴极化18。膜16能由离聚物形成。离聚物是具有离子性质的聚合物。在 一示例中，膜16由含全氣賴酸（PFSA)的离聚物诸如E. I. DuPont, USA的化fion?形成。 PFSA聚合物由氣碳骨架和附连到短氣碳侧链上的賴酸基组成。
[0017] 在另一示例中，膜16由姪离聚物形成。一般而言，姪离聚物的主链并不包含大量 氣，不同于具有高度氣化骨架的PFSA离聚物。姪离聚物是具有含氨和碳的主链的离聚物， 并且其还可包含小摩尔分数的杂原子，诸如氧、氮、硫和/或磯。该些姪离聚物主要包括芳 香族和脂肪族离聚物。合适芳香族离聚物的示例包括(但不限于）賴化聚醜亚胺、賴焼基化 聚讽、被賴基苯氧基苯甲基取代的聚（对苯）和聚苯并咪哇离聚物。合适脂肪族离聚物的 非限制性示例为基于己帰基聚合物的那些，诸如交联聚（苯己帰賴酸）、聚（丙帰酸）、聚 (己帰賴酸）、聚（2-丙帰醜胺-2-甲基丙賴酸）和它们的共聚物。
[001引膜16的组成影响了燃料电池重复单元10的操作温度。例如，姪离聚物通常具有 比PFSA离聚物更高的玻璃转变温度，该能使得姪离聚物膜16在比PFSA离聚物膜16更高 的温度操作。
[0019] 阴极化18邻近于膜16的阴极侧。阴极化18包括离聚物和催化剂。阴极化18 的催化剂促进了氧化剂（即，氧气）的电化学还原。用于阴极化18的示例催化剂包括碳支 承的/碳载（carbon-supported)笛粒子、碳支承的笛的合金和碳支承的笛金属互化物。
[0020] 阳极化14邻近于膜16的阳极侧并且与阴极化18相对。阳极化14包括催化 齐U。阳极化14的催化剂促进了燃料（即，氨气）的电化学氧化。用于阳极化14的示例催 化剂包括碳支承的笛粒子。阳极化14还可包括离聚物。阳极化14可W具有与上文关于 阴极化18所描述的结构类似的结构，但阳极化14和阴极化18可W具有不同组成。
[0021] 图2为图1的MEA 12的膜16、阴极CL 18和阴极GDL 22的放大图。阴极GDL 22 包括气体扩散基板28和微孔层30。如图2所示，微孔层30为位于最靠近阴极化18的阴 极GDL 22的侧部上并且在阴极化18与气体扩散基板28之间的膜层。替代地，微孔层30 可W位于气体扩散基板28的孔隙内。如在下文中更详细地描述，微孔层30包括息浮介质、 第一炭黑、疏水性添加剂和亲水性添加剂。
[002引如上文所指出那样，来自阳极化14的质子和电子与氧分子在阴极化18处起反 应W形成水。在低操作温度(通常低于约50 to,必须管理在阴极化18处所形成的水W 防止水在