[發明專利]膜以及具有粘結促進層的膜電極組件

無效

• 申請號: 200580037966.1
• 申請日: 2005-09-08
• 公開（公告）號: CN101095256A
• 公開（公告）日: 2007-12-26
• 發明（設計）人: D·奧爾梅耶
• 申請（專利權）人: 復合燃料公司
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 周鐵;韋欣華

技術領域

本申請涉及聚合物電解質膜(PEM)，其利用包含離子導電粘合劑組合物的粘結促進層來提高膜電極組件中PEM和催化劑層界面處的結構穩定性。

發明背景

使用聚合物電解質膜(PEM)的燃料電池的一個突出問題是PEM表面和催化層之間界面的不穩定性。無法形成并保持這種界面可導致催化層與PEM的分離及燃料電池內阻的升高。

Nation是一種已被用于制造PEMs的全氟化離子導電聚合物。當制備用于在PEM上形成催化層的催化劑墨水(catalyst?inks)時，Nation還是所選擇的離聚物。Nation已被用作PEM并被應用于催化劑層中。但是，當在直接甲醇燃料電池中或在較高的溫度下使用時，Nation膜的應用受到限制。

為了克服Nation的局限性，新的離子導電聚合物已經被開發出來。然而，使用這些聚合物制造的PEMs與由Nation制備的催化層之間的界面不盡如人意。這主要是由于PEM聚合物和催化劑聚合物之間的物理及化學性質不同導致的。

發明概述

本發明旨在使用離子導電粘合劑組合物來增強聚合物電解質膜(PEM)與催化劑層之間的物理及電接觸。

本發明包括含有由第一離子導電聚合物制備的PEM的膜電極組件(MEA)。含離子導電粘合劑組合物(有時稱為粘合劑組合物)的粘結促進層與PEM的第一表面以及催化劑層的第一表面接觸。催化層包括第二離子導電聚合物和催化劑。氣體擴散層(GDL)可與催化層形成界面。

MEA還可包括與PEM第二表面及第二催化劑層接觸的第二粘合劑層。在一些實施方案中，第二催化劑層也與GDL層接觸。

一般而言，離子導電粘合劑組合物至少包含PEM的離子導電聚合物或催化劑層的離子導電聚合物。在一些實施方案中，來源于PEM和催化劑層的離子導電聚合物被用于形成離子導電粘合劑組合物。

在可選擇的實施方案中，固體顆粒如無機顆粒被分散到離子導電聚合物中以形成粘合劑組合物。這種顆粒的平均直徑在20nm到2,000nm之間。它們可以是石墨的或無定形的碳粉或硅、鈦及鋯的氧化物。

在另一實施方案中，粘合劑組合物包含與非離聚物(non-ionomericpolymer)組合的離子導電聚合物。一般而言，非離聚物的T_m或T_g低于200℃。在一個特別優選的實施方案中，非離聚物包含1，1-二氟乙烯和六氟丙烯的共聚物。

在進一步的實施方案中，粘合劑層包含至少含有第一或第二離子導電聚合物的一種或兩者都含有的離子導電粘合劑組合物，其中小孔(Pores)分散在聚合物中。

粘結促進層的厚度一般在200nm到5,000nm之間。

本發明還包含制造膜電極組件(“MEA”)的方法。離子導電粘合劑組合物被應用于PEM的至少一個表面和/或催化層的表面。PEM和催化層被緊密靠近放置在一起，從而形成在PEM和電極的催化劑層之間的粘結促進層以形成部分MEA。催化層可作為電極或電極的一部分。

在多數實施方案中，PEM的第二表面和/或第二催化層的表面用離子導電粘合劑組合物涂覆。然后，使PEM和第二電極緊密靠近放置以便在PEM和第二電極的催化劑層之間形成粘結促進層。第二催化層也可作為電極或電極的一部分。

然后MEA在溫度120～170℃，壓力25～120公斤每平方厘米條件下熱處理。

一般而言，通過粘結促進層將電極粘結到PEM上的粘結力大于電極沒有通過粘結促進層就粘結到PEM上的粘結力。

發明之詳細描述

本發明利用離子導電粘合劑組合物以在催化層和MEA的PEM之間形成粘結促進層。