[發明專利]用于燃料電池的膜-電極組件、其制法和燃料電池系統

有效

• 申請號: 201010574015.0
• 申請日: 2010-11-30
• 公開（公告）號: CN102195046A
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發明（設計）人: 金熙卓;曹誠庸;金泰允;韓相日;宋佳映;蔡根錫;閔明基
• 申請（專利權）人: 三星SDI株式會社
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M8/06;H01M8/24
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 金擬粲

技術領域

本公開內容涉及用于燃料電池的膜-電極組件、制造用于燃料電池的膜-電極組件的方法和燃料電池系統。

背景技術

燃料電池是通過獨立供應的氧和基于烴的材料中所包含的氫的電化學還原-氧化反應產生電能的發電系統。燃料電池的典型例子包括聚合物電解質膜燃料電池(“PEMFC”)和直接氧化燃料電池(“DOFC”)。聚合物電解質燃料電池包括作為燃料電池主體的堆(stack)和通過由重整器供應的氫與來自空氣泵或風扇的氧之間的電化學反應產生電能。直接氧化燃料電池通過獨立供應的燃料和氧之間的電化學反應產生電能。

在燃料電池中，堆包括幾個至幾十個堆疊的單元電池，和各單元電池包括膜-電極組件(“MEA”)和隔板。MEA包括聚合物電解質膜、一對設置于聚合物電解質膜兩側上的催化劑層以及設置在催化劑層外面的氣體擴散層。

發明內容

在一個方面中，用于燃料電池的膜-電極組件通過使聚合物電解質膜和催化劑層之間的粘合區域最大化而具有改善的質子傳輸和界面處粘合強度。

在另一方面中，提供制造膜-電極組件的方法，所述膜-電極組件通過使聚合物電解質膜和催化劑層之間的粘合區域最大化而具有改善的質子傳輸和界面處粘合強度。

在另一方面中，提供燃料電池系統，其由于降低的界面電阻而具有改善的輸出。

在另一方面中，用于燃料電池的膜-電極組件包括例如聚合物電解質膜、設置于所述聚合物電解質膜上的粘合層和形成以與所述粘合層部分交疊的催化劑層。

在一些實施方式中，所述聚合物電解質膜、粘合層和催化劑層置于陰極基板和陽極基板之間。在一些實施方式中，所述催化劑層為陰極催化劑層。在一些實施方式中，所述催化劑層為陽極催化劑層。在一些實施方式中，所述粘合層具有約20nm～約1,000nm的平均厚度。在一些實施方式中，與所述粘合層交疊的催化劑層部分的平均厚度為所述催化劑層厚度的約1％～約10％。在一些實施方式中，所述粘合層由例如聚合物形成，所述聚合物選自包括例如用于所述催化劑層的粘結劑、用于所述聚合物電解質膜的聚合物、以及其一種或多種組合的組。在一些實施方式中，所述粘合層由質子傳導全氟聚合物形成。

在一些實施方式中，所述催化劑層包括例如金屬催化劑，所述金屬催化劑選自包括鉑、釕、鋨、鉑-釕合金、鉑-鋨合金、鉑-鈀合金、鉑-M合金(M為選自如下的過渡元素：Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、及其組合)以及其一種或多種組合的組。在一些實施方式中，所述聚合物電解質膜由例如包括質子傳導基團和主鏈的聚合物形成，所述主鏈選自包括例如亞芳基醚、亞芳基砜、亞芳基硫醚、苯并咪唑、酰亞胺、醚酰亞胺、亞芳基醚砜、亞芳基醚酮、亞芳基醚-醚酮、苯基喹喔啉、以及其組合的組。在一些實施方式中，所述聚合物電解質膜由例如包括由下列化學式1表示的結構單元的聚合物形成：

在以上化學式1中，X₁～X₈選自包括O、S、CO、SO₂和CRR’的組，R和R’為氫、C1～C10烷基或C1～C10氟烷基，Y₁～Y₄選自包括氫、C₁～C₁₀烷基、C₁～C₁₀氟烷基或質子傳導基團的組，Y₁～Y₄的至少一個為質子傳導基團，n1～n4為1～4的整數，R₁～R₄為氫、C₁～C₁₀烷基或C₁～C₁₀氟烷基，m1～m4為1～4的整數，和x可為約10摩爾％～約90摩爾％。

在一些實施方式中，用于燃料電池的膜-電極組件通過使聚合物電解質膜和催化劑層的界面上的粘合區域最大化而具有改善的質子傳輸和增加的界面處粘合強度。

在另一方面中，制造用于燃料電池的膜-電極組件的方法包括，例如，在設置于陰極或陽極上的催化劑層上設置粘合層以使所述催化劑層與所述粘合層部分交疊和在所述粘合層上形成聚合物電解質膜。

在一些實施方式中，使用凝膠相粘合層組合物設置所述粘合層。在一些實施方式中，所述粘合層通過噴涂設置于所述催化劑層上。在一些實施方式中，所述粘合層具有約20nm～約1000nm的平均厚度。在一些實施方式中，所述粘合層由聚合物形成，所述聚合物選自包括例如用于所述催化劑層的粘結劑、用于所述聚合物電解質膜的聚合物以及其一種或多種組合的組。在一些實施方式中，所述粘合層由質子傳導全氟聚合物形成。