膜电极组件(MEA)及其生产方法技术

本发明专利技术涉及新型膜电极组件(MBA)、其生产方法以及包括所述MBA的燃料电池。方法以及包括所述MBA的燃料电池。方法以及包括所述MBA的燃料电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】膜电极组件(MEA)及其生产方法
专利

[0001]本专利技术涉及新型膜电极组件(MEA)、其生产方法以及包括所述MEA的燃料电池。通过减少与电荷传输和质量传输现象相关的损失，上文提及的组件表现出改进的性能。
[0002]现代聚合物膜燃料电池(FC)的核心是所谓的膜电极组件(MEA)。MEA是一种二维多层系统，该二维多层系统包括使FC工作所必需的全部基本部件。这些包括：
[0003]1.离子交换膜，其易于传导参与特定FC的操作的离子物质。不同类型的FC需要易于传导不同离子物质的膜。例如，“质子交换膜燃料电池”，PEMFC，包括能够传导H3O
+
离子的膜。“阴离子交换膜燃料电池”，AEMFC，代替地包括能够传导OH
‑
离子的膜。
[0004]2.离子交换膜在两个侧面上都被“电催化层”包覆。
[0005]3.每个电催化层进而被“气体扩散电极”包覆；这两个电催化层确保以下功能：(i)它们用于使FC操作所必需的试剂到达电催化层；(ii)它们被用于从MEA中去除由于FC操作所必需的电化学过程而产生的产物；以及(iii)它们使电催化层与外部电路电接触。
[0006]电催化层是发生整个FC的操作所必需的氧化过程或还原过程的地方。在电催化层内定位有“活性位点”，该活性位点：
[0007]1.与FC的电解膜(electrolytic membrane)离子接触。例如，在PEMFC中：(i)在阳极处，这些位点朝向膜排出H3O
+
离子；同时(ii)在阴极处，这些位点接收来自膜的H3O
+
离子。
[0008]2.暴露于用于供给FC的试剂。例如，在PEMFC中：(i)在阳极处，这些位点暴露于氢气；同时(ii)在阴极处，它们暴露于氧气。
[0009]3.与外部电路电接触。例如，在PEMFC中：(i)在阳极处，这些位点将电子输送到系统外进入外部电路中；同时(ii)在阴极处，这些位点吸收来自外部电路的电子。
[0010]为了包含在电催化层中的“活性位点”与FC的电解膜离子接触，有必要产生易于传输感兴趣的离子的合适的渗透路径。该感兴趣的离子作为反应物或产物参与到在FC电极处发生的电化学过程中；如果这些离子不能到达“活性位点”或者没有从“活性位点”中去除，则操作整个FC所必需的电化学过程不能发生，并且装置不产生电流。
[0011]为了产生易于传输感兴趣的离子的渗透路径，将一定量的离子交换聚合物引入到电催化层中，所述离子交换聚合物能够容易地传导通过电解膜迁移的相同离子。这样的聚合物的最佳量取决于多种因素，包括电催化剂形态。在一方面中，如果电催化层不包含足够的离子交换聚合物，则包含在相同电催化层中的许多“活性位点”不能被离子物质到达，并且因此不能起作用。在另一方面中，如果离子交换聚合物的量过多，则离子交换聚合物：(i)覆盖“活性位点”，这阻断了它们的操作；以及(ii)将电催化剂被分成的不同晶粒(grain)电隔离，这阻断了电子在“活性位点”和外部电路之间的传输。
[0012]为了使感兴趣的离子容易地在电催化层和电解膜之间迁移，或反之亦然，必要的是在这两个部件之间的界面是平滑且均匀的。以这种方式，将不会由于MEA生产中涉及的多种过程而引入能够阻断离子在电解膜和包含在电催化层中的离子交换聚合物之间的迁移的气泡或其他中断点。
[0013]为了使每个电催化层最佳地工作，必须使特定氧化还原过程在电极处发生的速度
被接合在一起。
[0023]因此，电催化层的表面通常一定比以包含现有技术电催化剂的电催化层为特征的表面更粗糙。这种粗糙度阻碍了在离子交换膜和电催化层之间连续且均匀的界面的建立，从而抑制了FC操作所必需的离子物质的迁移。
[0024]此外，在专利申请WO2017/055981中描述的电催化剂的活性位点不“从外部被施加”在载体上，如在现有技术电催化剂材料的情况下，但它们在碳氮化物“壳”中“从内部生长”，并且因此它们不一定完全暴露于外部环境。因此，许多“活性位点”未被实际使用(感兴趣的过程的反应物是不可到达的)或位于碳氮化物“壳”的非常狭窄且曲折的孔的底部(并且以这种方式，试剂和产物的困难的传输还显著降低了电催化剂的效率)。
[0025]US2005/112448描述了一种离子交换聚合物，其被用作粘附层以使电极与膜的脱离最小化。所述脱离事实上可以导致电池的低效率。
[0026]US2010/068592描述了一种离子交换聚合物，其被用于解决在烃类型的离子交换聚合物膜和DMFC的优化的电极之间的相容性问题。
[0027]定义
[0028]除非另外定义，否则本文使用的所有领域术语、符号和其他科学术语意图具有本说明书所属领域的技术人员通常理解的含义。在一些情况下，为了清楚和/或便于参考，本文定义了具有通常理解的含义的术语；因此，在本说明书中包含这样的定义不应被解释为代表相对于本领域中普遍理解的内容的实质性差异。
[0029]文中使用的术语“约(approximately)”和“约(about)”指的是在进行实验测量中固有的实验误差的范围。
[0030]术语“环境温度”指的是包括在15℃和25℃之间的温度。
[0031]术语“包括(comprising)”、“具有(having)”、“包括(including)”和“含有(containing)”应当被解释为开放式术语(即，意味着“包括但不限于”)，并且应当被视为还用于诸如“基本上由...组成(consist essentially of)”、“基本上由...组成(consisting essentially of)”、“由...组成(consist of)”或“由...组成(consisting of)”的术语的支持。
[0032]术语“基本上由...组成(consists essentially of)”、“基本上由...组成(consisting essentially of)”应当被解释为半封闭式术语(semi
‑
closed term)，意味着不包含影响本专利技术的新特征的其他成分(任选的赋形剂可以因此被包含)。
[0033]术语“由...组成(consists of)”、“由...组成(consisting of)”应当被解释为封闭式术语。
[0034]专利技术概述
[0035]本专利技术根本的问题是克服上文确定的缺点，从而提供具有改进的性能的最终膜电极组件(MEA)。
[0036]因此，本专利技术的方法允许：(i)通过促进离子物质的迁移，改进在构成MEA的多个层中的相互相容性；以及(ii)改进电催化剂活性位点对MEA操作所必需的电化学过程的试剂和产物的可及性。
[0037]因此，本专利技术在其第一方面中涉及根据权利要求1所述的膜电极组件(MEA)；在从属权利要求中报告了方法的优选的特征。
[0038]更具体地，膜电极组件包括：
[0039]阳极和阴极，所述阳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种膜电极组件(MEA)，包括：阳极和阴极，所述阳极和所述阴极彼此面对；离子交换膜，所述离子交换膜被放置在所述阳极和所述阴极之间；电催化包覆层，所述电催化包覆层被施加在所述离子交换膜的两个侧面上；离子交换聚合物层，所述离子交换聚合物层被放置在所述电催化层中的至少一个和所述膜之间；其特征在于所述电催化层包含具有包括在0.001微米和50微米之间、优选地在0.01微米和1微米之间的平均直径的微孔，和/或所述电催化层包含具有包括在0.01微米和10微米之间、优选地在0.03微米和0.3微米之间的平均直径的电催化剂颗粒。2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，所述离子交换聚合物选自包括易于交换以下的离聚物的组：(i)阳离子；(ii)阴离子；或(iii)阴离子和阳离子两者。3.根据权利要求1或2所述的膜电极组件，其特征在于，所述离子交换聚合物层具有包括在2微米和1,000微米之间、优选地在2微米和50微米之间的厚度。4.根据前述权利要求中任一项所述的膜电极组件，其特征在于，所述电催化层包含电催化剂，优选地具有“核
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壳”形态的基于碳氮化物的电催化剂，或者包含氧化石墨烯、氮化石墨烯、石墨烯或被
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COOH基团和/或
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OH基团官能化的石墨烯的电催化剂。5.一种生产根据权利要求1至4中任一项所述的膜电极组件的方法，包括以下步骤：(a)提供离子交换聚合物在质子极性溶剂中或在包含多于一种质子极性溶剂的溶液中的分散体；b)将所述分散体通过以下施加在离子交换膜上或施加在被施加在所述膜上的至少一个电催化层上：(i)直接施加在所述膜上或所述至少一个电催化层上，或者(ii)施加在惰性基底上，随后转移到所述膜上或所述至少一个电催化层上，以形成膜
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聚合物层体系或电催化层
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聚合物层体系；c)去除溶剂，优选地通过蒸发、真空蒸发或干燥去除溶剂；d)任选地，使所述膜
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聚合物层体系或所述电催化层
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聚合物层体系经历压制和/或用至少一种酸性水溶液或碱性水溶液的处理；其特征在于，所述方法还包括将至少一种成孔剂引入到所述电催化层中的步骤以及从所述电催化层中去除所述至少一种成孔剂的随后的步骤。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述成孔剂由具有包括在10,000nm和2nm之间、优选地包括在200nm和20nm之间的平均直径的颗粒组成。7.一种生产根据权利要求1至4中任一项所述的膜电极组件的方法，包括以下步骤：(a)提供离子交换聚合物在质子极性溶剂中或在包含多于一种质子极性溶剂的溶液中的分散体；b)将所述分散体通过以下施加在离子交换膜上或施加在被施加在所述膜上的至少一个电催化层上：(i)直接施加在所述膜上或所述至少一个电催化层上，或者(ii)施加在惰性基底上，随...

【专利技术属性】
技术研发人员：维多，
申请(专利权)人：百利通有限公司，
类型：发明
国别省市：