含聚结溶剂的电极墨水制造技术

提供了一种催化剂墨水，包含：ａ）固体，包括：ｉ）催化剂材料，和ｉｉ）聚合物电解质；ｂ）水性溶剂；和ｃ）聚结溶剂。在一些实施方案中，所述聚结溶剂选自由烷烃、烯烃、胺、醚和任选被取代的芳香族化合物组成的组。在一些实施方案中，所述聚结溶剂选自由部分氟化的烷烃、部分氟化的叔胺、完全氟化的烷烃和完全氟化的叔胺组成的组。在另一方面，本发明专利技术提供了一种燃料电池膜电极组件，包括含有聚结溶剂的催化剂层。在另一方面，本发明专利技术提供了一种制作燃料电池膜电极组件的方法，包括将根据本发明专利技术的催化剂墨水施加到ａ）和ｂ）中的一者或多者的步骤：ａ）聚合物电解质膜，和ｂ）多孔导电气体扩散层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用含聚结溶剂的电极墨水制作燃料电池膜电极的方法。
技术实现思路
简言之，本专利技术提供了一种催化剂墨水，包含a)固体，包括i)催化剂材料，和 )聚合物电解质；b)水性溶剂；和c)聚结溶剂。在一些实施方案中，所述聚结溶剂选自由 烷烃、烯烃、胺、醚和任选被取代的芳香族化合物组成的组。在一些实施方案中，所述聚结溶 剂选自由部分氟化的烷烃、部分氟化的叔胺、完全氟化的烷烃和完全氟化的叔胺组成的组。 所述催化剂墨水典型地包含5-30重量％的固体，更典型地10-20重量％的固体。所述水性 溶剂典型地包含0-50%的醇、0-20%的多元醇和30-100%的水。所述催化剂墨水典型地包 含5-25重量％的聚结溶剂，更典型地10-20重量％的聚结溶剂，并在一些实施方案中大约 15重量％的聚结溶剂。在另一方面，本专利技术提供了一种具有含聚结溶剂的催化剂层的燃料电池膜电极组 件。在一些实施方案中，所述聚结溶剂选自由烷烃、烯烃、胺、醚和任选被取代的芳香族化合 物组成的组。在一些实施方案中，所述聚结溶剂选自由部分氟化的烷烃、部分氟化的叔胺、 完全氟化的烷烃和完全氟化的叔胺组成的组。在另一方面，本专利技术提供了一种制作燃料电池膜电极组件的方法，包括将根据本 专利技术的催化剂墨水施加到a)和b)中的一者或多者的步骤a)聚合物电解质膜，和b)多孔 的导电气体扩散层。在本申请中添加剂在聚合物膜中的“均勻，，分布是指添加剂的存在量变化不超过+/-90 %，更 典型地不超过+/-50%并且更典型地不超过+/-20% ；聚合物的“当量重量”(EW)是指会中和一个当量碱的聚合物重量；“多价阳离子”是指具有2+或更大电荷的阳离子；“高度氟化的”是指含氟量在40重量％以上，典型地在50重量％以上并更典型地 在60重量％以上；以及“酸式”是指(关于阴离子官能团)其由质子中和。“取代的”是指(对于化学品物质)由不与所需的产品或方法冲突的传统取代基取 代的，例如，取代基可以是烷基、烷氧基、芳基、苯基、卤素(F，Cl，Br，I)、氰基、硝基等。附图说明图1是表示实施例中讨论的根据本专利技术的7膜电极组件(MEA)和对比物MEA的⑶S性能的曲线图。图2是表示实施例中讨论的根据本专利技术的7膜电极组件(MEA)和对比物MEA的空 气利用性能的曲线图。具体实施例方式本公开提供了制作燃料电池电极和包括该电极的膜电池组件(MEA)的一些方法， 这些方法表现出改善的涂敷均勻度和改善的燃料电池性能。根据本专利技术的膜电极组件(MEA)或聚合物电解质膜可以用于电化学电池，例如燃 料电池。MEA是质子交换膜燃料电池，例如氢燃料电池的中心元件。燃料电池是通过例如氢 气和氧化剂例如氧气的燃料的催化组合来产生可用电力的电化学电池。典型的MEA包括聚 合物电解质膜(PEM)(也被称为离子导电膜(ICM))，其用作固体电解质。PEM的一个面与阳 极电极层接触，相对的一面与阴极电极层接触。在典型应用中，在阳极处通过氢氧化形成质 子并通过PEM输送到阴极与氧反应，使得连接电极的外部电路中流过电流。各个电极层包 含电化学催化剂，典型地包含钼金属。所述PEM在反应气体之间形成耐用的、非多孔的、非 导电的机械阻挡层，但它也易于传递H+离子。气体扩散层(GDL)有利于到达以及离开阳极 和阴极电极材料的气体输送，并传导电流。所述GDL既是多孔的又是导电的，并且典型地由 碳纤维构成。所述GDL也可以叫做流体传送层(FTL)或扩散器/集电器(DCC)。在一些实 施方案中，将所述阳极和阴极电极层涂敷到GDL以形成催化剂涂敷的背衬层(CCB)，所得的 CCB被夹在PEM中形成五层MEA。五层MEA的五个层依次为阳极⑶L、阳极电极层、PEM、阴 极电极层和阴极GDL。在另一些实施方案中，所述阳极电极层和阴极电极层分别涂敷在所述 PEM的两个侧面，所得的催化剂涂敷的膜(CCM)夹在两层GDL之间形成五层MEA。根据本专利技术的所述PEM可以包括任何合适的聚合物电解质。在本专利技术中可用的聚 合物电解质通常具有连接到共主链(common backbone)的阴离子官能团，其通常是磺酸基， 但也可以包括羧基、酰亚胺基、酰胺基或其它酸性官能团。在本专利技术中可用的聚合物电解质 是高度氟化的，最典型的是全氟化的。在本专利技术中可用的聚合物电解质通常是四氟乙烯和 一种或多种氟化的酸官能共聚单体的共聚物。典型的聚合物电解质包括Nafion (DuPont Chemicals, Wilmington DE)禾口 Flemion (Asahi Glass Co. Ltd. , Tokyo, Japan)。所述聚 合物电解质可以是美国专利申请10/322，254,10/322, 226和10/325，278中描述的四氟乙 烯(TFE)和FSO2-CF2CF2CF2CF2-O-CF = CF2的共聚物，其以引用方式并入本文。所述聚合物 典型地具有1200或更小的当量重量(EW)并更典型地为1100或更小。在一些实施方案中， 可以使用不常用的低EW聚合物，典型地为1000或更小，更典型地为900或更小，并且更典 型地为800或更小，与更高EW的聚合物相比通常具有改善的性能。所述聚合物可以通过任何合适的方法成形为膜。所述聚合物典型地由悬浮液浇注 而成。可以采用任何合适的浇注方法，包括刮棒涂布、喷涂、狭缝涂布、毛刷涂布等等。成形 后，膜可进行退火，典型地在120°C或更高，更典型地在130°C或更高，最典型地在150°C或 更高。所述PEM典型地具有小于50微米的厚度，更典型地小于40微米，并且更典型地小于 30微米，最典型地为约25微米。在本专利技术的一些实施方案中，在成膜前、成膜中或成膜后，可以在所述聚合物 电解质或膜中以溶液或悬浮液的形式加入一种或多种铈或镁化合物，如在美国专利申请公布 No. 2006/0063054 Al 和 2006/0063055 Al 以及美国专利申请 No. 11/261053 和 11/262268 (代理人卷号61757US005)中所述，其中，上述的美国专利申请公布和美国专利 申请以引用方式并入本文。根据本专利技术的PEM可以另外包括多孔支承体，例如一层膨胀的PTFE等，其中所述 多孔支承体的孔中容纳所述聚合物电解质。根据本专利技术的PEM可以另外包括非多孔支承 体。根据本专利技术的PEM可以包括交联聚合物。任何合适的GDL可以用于实施本专利技术。典型地，所述GDL由包含碳纤维的片状材 料构成。典型地，所述⑶L是碳纤维构造，选自织造碳纤维构造和非织造碳纤维构造。可用 于实施本专利技术的碳纤维构造可包括Aoray 碳纸，SpectraCarb 碳纸，AFN 非织造碳布， Zoltek 碳布等等。所述GDL可以涂敷或浸渍各种材料，包括碳粒涂层、亲水处理和疏水处 理，例如用聚四氟乙烯(PTFE)涂布。为了制作CCM，可以通过任何合适的方式将催化剂墨水施加到所述PEM上，包括手 工和机械方法，包括手刷、缺口棒涂、液压轴承模涂、绕线棒涂、液压轴承涂敷、狭槽进料刮 涂、三辊涂敷或贴花转移。涂敷可一次完成或多次完成。为了制作CCB，可以通过任何合适的方式将催化剂墨水施加到所述PEM上，包括手 工和机械方法，包括手工刷、缺口棒涂、液压轴承模涂、绕线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种催化剂墨水，其包含：ａ）固体，该固体包括ｉ）催化剂材料；以及ｉｉ）聚合物电解质；ｂ）水性溶剂；以及ｃ）聚结溶剂。

【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：迈克尔T希克斯，史蒂文J哈姆罗克，埃里克J汉森，特雷沙M瓦特施克，马克S沙伯格，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]