具有多層陰極的燃料電池膜電極組件的制作方法
【專利說明】
[0001] 本專利申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年12月22日，發(fā)明名稱為"具有多層陰極的燃料電 池膜電極組件"的中國專利申請(qǐng)200980156878. 1的分案申請(qǐng)。
[0002] 相關(guān)專利申請(qǐng)的香叉引用
[0003] 本專利申請(qǐng)要求于2008年12月22日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/139925的 優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容全文W引用方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明設(shè)及具有多層陰極的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池膜電極組件，其中更靠近聚 合物電解質(zhì)膜的陰極第一層比陰極第二層更親水，第二層距離聚合物電解質(zhì)膜更遠(yuǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 簡而言之，本發(fā)明提供了一種燃料電池膜電極組件，其包括；i)具有第一和第二 面的聚合物電解質(zhì)膜；ii)支撐在聚合物電解質(zhì)膜第一面上的陽極催化劑層；iii)支撐在 聚合物電解質(zhì)膜第二面上的第一陰極催化劑層，該第一陰極催化劑層包含第一陰極催化劑 材料和第一聚合物電解質(zhì)；W及iv)支撐在第一陰極催化劑層上的第二陰極催化劑層，該 第二陰極催化劑層包含第二陰極催化劑材料和第二聚合物電解質(zhì)；其中第一陰極催化劑層 比第二陰極催化劑層更親水。在一些實(shí)施例中，第一聚合物電解質(zhì)具有第一當(dāng)量重量，第二 聚合物電解質(zhì)具有第二當(dāng)量重量，并且第一當(dāng)量重量小于第二當(dāng)量重量，典型地小于第二 當(dāng)量重量的85%，在一些實(shí)施例中小于第二當(dāng)量重量的70%。在一些實(shí)施例中，第一當(dāng)量 重量為1050或更小，更典型地為1000或更小，更典型地為950或更小，更典型地為900或 更小，更典型地為850或更小，并且最典型地為800或更小。典型地，第一陰極催化劑層緊 鄰聚合物電解質(zhì)膜的第二面。典型地，第二陰極催化劑層緊鄰第一陰極催化劑層。典型地， 第一陰極催化劑材料的重量與第二陰極催化劑材料的重量的比例為1:4到4:1，更典型地 為1:2到2:1。典型地，第一和第二聚合物電解質(zhì)為高度氣化的，更典型地為全氣化的。第 一和第二聚合物電解質(zhì)可包含根據(jù)下式的側(cè)基；-O-CF2-CF2-CF2-CF2-SO3H。
[0006] 在另一方面，本發(fā)明提供了一種制備燃料電池膜電極組件的方法，其包括W下步 驟；i)提供具有第一和第二面的聚合物電解質(zhì)膜；ii)將第一陰極催化劑層施加到聚合物 電解質(zhì)膜的第二面上，該第一陰極催化劑層包含第一陰極催化劑材料和具有第一當(dāng)量重量 的第一聚合物電解質(zhì)；W及iii)將第二陰極催化劑層施加到第一陰極催化劑層上，該第二 陰極催化劑層包含第二陰極催化劑材料和具有第二當(dāng)量重量的第二聚合物電解質(zhì)；其中第 一陰極催化劑層比第二陰極催化劑層更親水。在一些實(shí)施例中，該方法還可W包括W下步 驟；iv)在步驟iii)前將第二陰極催化劑層施加到氣體擴(kuò)散層上，W制備催化劑涂覆的背 襯；并且其中步驟iii)包括將催化劑涂覆的背襯施加到第一陰極催化劑層上。在一些實(shí) 施例中，該方法還可W包括W下步驟；V)將陽極催化劑層施加到聚合物電解質(zhì)膜的第一面 上。在該方法的一些實(shí)施例中，第一當(dāng)量重量小于第二當(dāng)量重量，典型地小于第二當(dāng)量重量 的85%，在一些實(shí)施例中，小于第二當(dāng)量重量的70%。在一些實(shí)施例中，第一當(dāng)量重量為 1050或更小，更典型地為1000或更小，更典型地為950或更小，更典型地為900或更小，更 典型地為850或更小，并且最典型地為800或更小。典型地，第一陰極催化劑層緊鄰聚合物 電解質(zhì)膜的第二面。典型地，第二陰極催化劑層緊鄰第一陰極催化劑層。典型地，第一陰極 催化劑材料的重量與第二陰極催化劑材料的重量的比例為1:4到4:1，更典型地為1:2到 2:1。典型地，第一和第二聚合物電解質(zhì)為高度氣化的，更典型地為全氣化的。第一和第二 聚合物電解質(zhì)可包含根據(jù)下式的側(cè)基；-O-CF2-CF2-CF2-CF2-SO3H。
[0007] 在另一方面，本發(fā)明提供了一種制備燃料電池膜電極組件的方法，其包括W下步 驟；i)提供具有第一和第二面的聚合物電解質(zhì)膜；ii)提供具有表面的氣體擴(kuò)散層；iii) 將第二陰極催化劑層施加到氣體擴(kuò)散層的表面上，該第二陰極催化劑層包含第二陰極催化 劑材料和具有第二當(dāng)量重量的第二聚合物電解質(zhì)；iv)將第一陰極催化劑層施加到第二陰 極催化劑層上，該第一陰極催化劑層包含第一陰極催化劑材料和具有第一當(dāng)量重量的第一 聚合物電解質(zhì)；其中第一陰極催化劑層比第二陰極催化劑層更親水。在一些實(shí)施例中，該方 法還可W包括W下步驟；V)將陽極催化劑層施加到聚合物電解質(zhì)膜的第一面上。在該方法 的一些實(shí)施例中，第一當(dāng)量重量小于第二當(dāng)量重量，典型地小于第二當(dāng)量重量的85%，并且 在一些實(shí)施例中小于第二當(dāng)量重量的70%。在一些實(shí)施例中，第一當(dāng)量重量為1050或更 小，更典型地為1000或更小，更典型地為950或更小，更典型地為900或更小，更典型地為 850或更小，并且最典型地為800或更小。典型地，第一陰極催化劑層緊鄰聚合物電解質(zhì)膜 的第二面。典型地，第二陰極催化劑層緊鄰第一陰極催化劑層。典型地，第一陰極催化劑材 料的重量與第二陰極催化劑材料的重量的比例為1:4到4:1，更典型地為1:2到2:1。典型 地，第一和第二聚合物電解質(zhì)為高度氣化的，更典型地為全氣化的。第一和第二聚合物電解 質(zhì)可包含根據(jù)下式的側(cè)基；-O-CF2-CF2-CF2-CF2-SO3H。
[000引 在本專利申請(qǐng)中；
[0009] 聚合物的"當(dāng)量重量"（EW)是指會(huì)中和一個(gè)當(dāng)量堿的聚合物重量；
[0010] "高度氣化的"是指包含40重量％或更多的氣，典型地包含50重量％或更多的氣， 更典型包含60重量％或更多的氣。
【附圖說明】
[0011] 圖1為如實(shí)例所述在經(jīng)過反復(fù)的開啟/關(guān)閉循環(huán)后根據(jù)本發(fā)明的MEA的極化曲線 圖。每條曲線都標(biāo)記有在測量曲線前所經(jīng)歷的開啟/關(guān)閉循環(huán)數(shù)。
[0012] 圖2為如實(shí)例所述在經(jīng)過反復(fù)的開啟/關(guān)閉循環(huán)后對(duì)比性MEA的極化曲線圖。每 條曲線都標(biāo)記有在測量曲線前所經(jīng)歷的開啟/關(guān)閉循環(huán)數(shù)。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 本發(fā)明提供了具有多層陰極的燃料電池膜電極組件，其可在寬泛的操作條件下表 現(xiàn)出良好的性能。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的膜電極組件（MEA)可用于燃料電池。MEA為質(zhì)子交換膜燃料電池 (諸如氨燃料電池）的中屯、元件。燃料電池為電化學(xué)電池，其通過燃料（諸如氨）和氧化 劑（諸如氧）的催化組合來產(chǎn)生可用的電力。典型的MEA包含聚合物電解質(zhì)膜（PEM)(也 稱為離子導(dǎo)電膜（ICM))，其用作固體電解質(zhì)。所述陽M的一個(gè)面接觸陽極電極層，并且相對(duì) 的面接觸陰極電極層。在典型性應(yīng)用中，質(zhì)子通過氨氧化而在陽極處形成，并且被跨過所述PEM傳送至所述陰極，W便與氧反應(yīng)，從而導(dǎo)致電流在連接所述電極的外電路中流動(dòng)。每個(gè) 電極層均包含電化學(xué)催化劑，典型地包括銷金屬。所述PEM在所述反應(yīng)氣體之間形成一種 耐用的、無孔的、不導(dǎo)電的機(jī)械屏障，然而它也容易傳遞H+離子。氣體擴(kuò)散層（GDL)有利于 氣體在陽極和陰極電極材料之間來回傳送，并且傳導(dǎo)電流。所述GDL為多孔且導(dǎo)電的，并且 通常由碳纖維組成。所述GDL也可稱為流體傳送層（FTL)或擴(kuò)散片/集電器值CC)。在一 些實(shí)施例中，將所述陽極和陰極電極層涂覆到GDL上，并且所得的催化劑涂覆的GDL夾置有 陽M，W形成五層的MEA。五層的MEA中的五個(gè)層依次為；陽極GDL、陽極電極層、PEM、陰極電 極層和陰極GDL。在其它實(shí)施例中，將所述陽極和陰極電極層涂覆到所述陽M的任一側(cè)上， 并且所得的催化劑涂覆的膜（CCM)夾置于兩個(gè)GDL之間，W形成五層的MEA。
[0015] 可用于根據(jù)本發(fā)明的MEA的PEM可包含任何合適的聚合物電解質(zhì)。在本發(fā)明中 可用的聚合物電解質(zhì)通常具有連接到共主鏈（commonbac化one)的陰離子官能團(tuán)，其通常 是橫酸基，但也可W包括駿基、酷亞胺基、酷胺基或其它酸性官能團(tuán)?？捎糜诒景l(fā)明的聚 合物電解質(zhì)典型地為高度氣化的，最典型地為全氣化的，但也可W為部分氣化的或非氣化 的。在本發(fā)明中可用的聚合物電解質(zhì)通常是四氣己締和一種或多種氣化的酸官能共聚單 體的共聚物。典型的聚合物電解質(zhì)包括Nafion":值uPont化emicals,Wilmington呢）和 Flemion?(As址iGlassCo.Ltd. ,Tokyo,Japan)。所述聚合物電解質(zhì)可W是美國專利申請(qǐng) 10/322,