[發(fā)明專利]用于對燃料電池電極中離聚物空間分布進行成像的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910007277.6
• 申請日: 2009-01-24
• 公開（公告）號: CN101561389A
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: M·P·巴洛夫;F·A·海斯
• 申請（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運作公司
• 主分類號: G01N21/29
• 分類號: G01N21/29;H01M4/94
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 段曉玲;韋欣華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明通常涉及評價在燃料電池電極中離聚物空間分布的方法，尤其涉及評價在燃料電池MEA中離聚物空間分布的方法，該方法包括將MEA包埋到環(huán)氧樹脂中，將MEA切片，然后將切下的片暴露在四氯化鈦蒸氣中從而對MEA中的非離聚物材料著色。

背景技術(shù)

由于氫的清潔性并且可以在燃料電池中高效地產(chǎn)生電，因此它是非常有吸引力的燃料。氫燃料電池是電化學(xué)裝置，其包括陽極、陰極以及夾在二者之間的電解質(zhì)。陽極接收氫氣，陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極中離解以產(chǎn)生自由的氫質(zhì)子和電子。氫質(zhì)子通過該電解質(zhì)到達(dá)陰極。氫質(zhì)子在負(fù)極中與氧氣和電子反應(yīng)生成水。來自陽極的電子不能通過電解質(zhì)，而是在傳送到陰極之前通過負(fù)載做功。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是用在車輛上的很流行的燃料電池。PEMFC通常包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括被分得很細(xì)的催化顆粒，通常是鉑(Pt)，其被支撐在碳顆粒上并與離聚物混合。催化混合物沉積在膜的相對側(cè)。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。MEA制造起來較貴并且為了有效操作需要某些條件。

多個燃料電池通常組合在燃料電池堆中產(chǎn)生所需要的電力。例如，典型的用于汽車的燃料電池堆可以具有二百個或更多個堆在一起的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，通常是由壓縮機強迫推過堆的空氣流。堆并沒有消耗所有的氧氣，一些空氣作為陰極廢氣被輸出，所述陰極廢氣可以包括作為堆的副產(chǎn)物的水。燃料電池堆還接收流入堆的陽極側(cè)的陽極氫輸入氣體。

燃料電池堆包括一系列位于堆中所述數(shù)個MEA之間的雙極板，其中雙極板和MEA位于兩個端板之間。雙極板包括針對堆中相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)。在雙極板的陽極側(cè)上提供陽極氣體流動通道，允許陽極反應(yīng)物氣體流到各自的MEA。在雙極板的陰極側(cè)上提供陰極氣體流動通道，其允許陰極反應(yīng)物氣體流到各自的MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，另一端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板都由傳導(dǎo)性材料(conductive?material)制成，例如不銹鋼或者傳導(dǎo)性復(fù)合物。端板將由燃料電池生成的電導(dǎo)出所述堆。雙極板還包括冷卻流體流過的流動通道。

在MEA領(lǐng)域中公知在聚合物電解質(zhì)膜上涂覆催化劑層。催化劑層可以直接沉積在膜上，或者通過首先在貼花基底(decal?substrate)上涂覆催化劑間接地施加到膜上。通常通過軋制工藝將催化劑以漿料形式涂覆在貼花基底上。然后通過熱壓步驟將催化劑轉(zhuǎn)移到膜上。這種類型的MEA制造工藝有時稱作催化劑涂覆膜(CCM)。

在將催化劑涂覆在貼花基底上之后，離聚物層通常在催化劑轉(zhuǎn)移到膜之前噴涂在催化劑層上。由于催化劑和膜都包括離聚物，所以離聚物噴涂層在催化劑和膜之間提供了更好的接觸，這是由于其減少了催化劑和膜之間的接觸阻抗(contact?resistance)。這樣增加了膜和催化劑之間的質(zhì)子交換，從而改進了燃料電池的性能。

貼花基底可以是多孔膨脹聚四氟乙烯(ePTFE)貼花基底。然而，ePTFE基底很貴并且不可重復(fù)利用。尤其是，當(dāng)催化劑轉(zhuǎn)移到ePTFE基底上的膜時，催化劑或者催化劑組分的一部分留在了ePTFE基底上。另外，ePTFE基底拉伸、變形以及吸收溶劑，使得清潔步驟非常困難。因此，用于制造每個陽極和陰極的每一ePTFE基底被拋棄。

貼花基底還可以是非多孔的乙烯-四氟乙烯(ETFE)貼花基底。ETFE貼花基底為基底提供了催化劑和離聚物的最小損失，因為實質(zhì)上所有的涂層都被貼花轉(zhuǎn)移(decal?transferred)。基底不變形并且可以重復(fù)利用。對于這兩種工藝，陽極和陰極貼花基底都被切割到最終電極大小的尺寸，然后熱壓到全氟化膜上，隨后，剝離該貼花基底。

如上所述，MEA包括支撐在碳顆粒上的鉑與離聚物混合的混合物。離聚物具有封裝碳顆粒的傾向，有時覆蓋鉑顆粒。為了優(yōu)化MEA的性能，必須最優(yōu)化構(gòu)成MEA的混合物。因此，可能必需區(qū)分MEA中的各種材料，例如碳顆粒的大小、鉑顆粒的分布、離聚物的量、各種材料之間的孔隙的大小和形狀，等等。一種特殊的需要就是出于MEA優(yōu)化目的識別在燃料電池電極中離聚物的空間分布。另外，合意的是在MEA中最小化鉑的數(shù)量，因為其昂貴。而且，由于所述不同的材料包括一些相同的成分，例如碳，所以通過顯微鏡觀察時很難區(qū)分它們。

發(fā)明內(nèi)容