制备电化学电池用部件的方法技术

本发明专利技术涉及膜电极组件的制备方法。该方法包括转移催化剂层到聚合物电解质膜或气体扩散层上。还公开了采用这些组分制备膜电极组件的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通过粘结催化剂层到聚合物电解质膜上，形成催化剂涂布膜(CCM)或粘结到气体扩散层(GDL)上，形成气体扩散电极(GDE)， 从而制备膜电极组件的方法。根据本专利技术的第一个实施方案，在附图说明图1A-1D中示出了制备CCM的 方法。该方法包括在剥离片材4上形成催化剂层2，以形成转移组件 6(图1A);加热催化剂层2到等于或大于约250X:的烧结温度(图1B)， 得到烧结的催化剂层8;在合适的转移温度和/或压力(T/P)下，转移 烧结的催化剂层8到膜IO上(图1C);和除去背层(图1D)。参考图1A，催化剂层2含有催化材料，例如贵金属或其化合物、 承载的贵金属、承栽的贵金属化合物，或其结合物。催化剂层2还含 有疏水粘合剂，例如PTFE、 FEP、 PFA或其结合物，和优选不含离聚物 材料。催化剂层的成分可首先分散在合适的液体载体，例如醇、水或 其结合物内，均匀地共混，形成分散体，和随后施加到剥离片材上。 在一些实施方案中，分散体可进一步包括分散稳定的物质，例如表面 活性剂，例如Triton -X或Tergitol，和/或孔隙形成剂，例如曱基 纤维素。可使用本领域已知的施加分散体的任何方法，例如，但不限 于，刮涂、筛网印刷、缝模涂布、微型照相凹版涂布、贴花纸转印和 喷涂。在一些实施方案中，可在烧结之前，通过例如蒸发除去或部分 除去液体载体。或者，可在烧结过程中除去液体载体。合适的剥离片材材料应当对它将处于其下的最高温度惰性、不粘 附、非多孔和耐热，以便剥离片材没有变形且可再使用。在一个实例 中，剥离片材是金属片材，例如具有2SB面饰层的不锈钢板，K05金 属涂层，或陶资涂层；铝片；或耐热聚合物膜，例如聚酰亚胺膜，例 如Kapton 。视需要，可用剥离剂预处理剥离片材，之后在其上形成 层，以便在转移之后，加速剥离片材从催化剂层或扩散子层中除去。 剥离剂可以是醇，例如聚乙烯醇。如图1C所示，在通过施加热量和/或压力(T/P)之后，将烧结的催 化剂层8转移到膜10上。对于大多数固体聚合物电解质膜来说，合适的转移温度范围为约90°C -约200X:，和合适的转移压力范围可以是 约5-约40bar。优选地，在转移过程中，通过支持材料12支持膜10 的相对表面。支持材料12应当对它将处于其下的最高温度惰性、不粘 附、非多孔和耐热，且不需要是与剥离片材4相同的材料，这是因为 转移温度典型地低于烧结温度。例如，支持材料12可以是PTFE、聚 乙烯、聚丙烯或聚酯膜，例如Mylar⑧。在转移之后，从烧结的催化剂 层中除去剥离片材4和支持材料12，形成催化剂涂布膜16，如图1D 所示。图2A和2B是本专利技术进一步的实施方案的阐述，其中在剥离片材4 上形成扩散子层14 (图2A),然后在扩散子层14上形成催化剂层2 (图 2B)，之后烧结和转移。扩散子层14含有导电材料，所述导电材料可 以是纤维状或粒状。例如，该导电材料是碳或石墨，例如，但不限于， 炭黑、石墨化炭黑、石墨薄片、球形石墨、短切碳纤维、研磨碳纤维、 碳晶须和石墨纳米管，或其结合物。在一些实施方案中，可期望掺入 疏水粘合剂到扩散子层内，以改变它对水的传输性能和/或改进层之间 的粘合性。可通过在合适的液体载体内分散各成分，然后通过前面所 述的方法在其上施加，在剥离片材4上形成扩散子层14。预期扩散子层可辅助催化剂层转移到膜上。专利技术人已发现，若使 用现有技术直接转移催化剂层到膜上的方法，则当催化剂层的厚度低， 例如等于或小于约5微米时，和尤其当催化剂负栽低，例如等于或小 于约0. 15mg Pt/cm2时，可出现不完全的转移(即一部分催化剂层在转 移之后，可保留在剥离片材上)。催化剂层的不完全转移是非所需的， 因为它导致燃料电池性能损失、耐久性和成本问题。然而，通过在剥 离片材和催化剂层之间使用扩散子层，如图2A和2B所示，催化剂层 可完全转移到膜上。在其他实施方案中，可在膜10的相对表面上形成第二催化剂层18， 形成CCM20,如图3A所示。催化剂层18可含有类似或不同用量的与 催化剂层2相同的材料组成，或者可含有不同的材料组成，例如具有 离聚物的催化剂。对于其中期望改进的离子传导率的应用来说，具有离聚物，例如氟化和/或烃基离聚物的催化剂层可以是有益的。本领域 的普通技术人员会容易地选择适合于给定应用的催化剂组合物。在一些实施方案中，可按照与前面所述类似的方式(即在剥离片材22上形成催化剂层18),或者随后(图3B)或者同时(图3C)，将催化剂 层18转移到膜10上。任选地，扩散子层，例如在图2A和2B中所述 的扩散子层，也可与催化剂层18—起转移(未示出)。注意若催化剂层 18含有离聚物，则应当烧结扩散子层，之后在其上形成催化剂层16。 在其他实施方案中，可在转移之前或之后，通过本领域已知的任何方 法，将催化剂层18直接施加到膜上(未示出)。在进一步的实施方案中，前述实施方案中的CCM可与GDL和/或GDE 一起组装，形成膜电极组件(MEA)。例如，参考图1D，可与催化剂层8 相邻地放置GDL，同时可与膜10的相对的第二表面相邻地放置GDE。 或者，参考图3A,可与烧结的催化剂层8相邻地放置GDL，同时可与 催化剂层16相邻地放置另一GDL。在任何一种情况下，可将组装的MEA 处于粘结温度和/或粘结压力下，使每一个部件一起显著粘结。本领域 的普通技术人员可容易地测定合适的粘结温度、压力和持续时间。根据本专利技术的另一实施方案，公开了制备GDE的方法。该方法包 括在栽体材料12上形成催化剂层2 (图4A);在催化剂层2上形成扩散 子层14a，形成转移组件24 (图4B);在扩散底材26上形成额外的扩 散子层14b，形成部分GDL28(图4C);转移扩散子层14a到扩散子层 14b上(图4D);和烧结形成GDE30(图4E)。可在烧结之前或之后除去 载体材料12(未示出)。催化剂层2优选含有疏水粘合剂和催化材料，例如如前面所述。 此外，扩散子层14a、 14b可含有与前面实施方案所述相同的成分。在 这一实施方案中，扩散子层14a、 14b可具有相同或不同的组成，且可 具有相同或不同的负载。另外，可除去或部分除去催化剂层2的液体 载体，之后在其上形成第一扩散子层14a。可使用任何合适的扩散底材材料，条件是它导电且多孔。例举的 扩散底材材料包括碳化或石墨化的碳纤维非织造垫子，例如，但不限ii于，TGP-H-090 (Toray Industries Inc. ， Tokyo,曰本)；AvCarb⑧P50 和EP-40(Ballard Materials Products Inc.， Lowell,MA);和GDL24 与25系列材料(SGL Carbon Corp., Charlotte, NC)。选择多孔底材 对本专利技术来说不是重要的，和本领域的普通技术人员能针对给定的应 用选择合适的多孔底材。在一些实施方案中，多孔底材可被疏水化， 例如通过在含疏水粘合剂的溶液内浸渍底材，然后干燥和/或烧结，之 后施加扩散子层14b，或者在转移之后，同时烧结扩散子层14a、 14b 和催化剂层2。转移条件可类似于在前面实施方案中所述的那些。此外，在一些 实施方案中，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
电化学燃料电池用部件的制备方法，该方法包括：　形成第一转移组件，其中第一转移组件包含在第一剥离片材表面上的含第一催化材料和疏水粘合剂的第一催化剂层；　加热第一催化剂层到至少２５０℃的烧结温度以形成烧结的第一催化剂层；　转移 烧结的第一催化剂层到聚合物电解质膜的第一表面上；和　在粘结之后，从烧结的第一催化剂层上除去第一剥离片材。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：R玛赫，KJ柏，叶思宇，DS德哈恩，GR瓦拉吉尼克，A里奥，
申请(专利权)人：BDFIP控股有限公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]