[發(fā)明專利]用于制造減小龜裂的電極的工藝和材料

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110272869.8
• 申請日: 2011-09-15
• 公開（公告）號: CN102403517A
• 公開（公告）日: 2012-04-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: B.M.霍夫塔林;J.E.歐維簡
• 申請（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86;H01M4/90
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 薛峰

背景技術(shù)

通常稱為燃料電池的電化學(xué)轉(zhuǎn)換電池通過處理反應(yīng)物產(chǎn)生電能，例如通過氫和氧的氧化還原。典型的聚合物電解質(zhì)燃料電池包括兩側(cè)具有電極層（例如，含有最低量的一種催化劑和一種離聚物）的聚合物膜（例如，質(zhì)子交換膜（PEM））。涂敷催化劑的PEM位于一對氣體擴散介質(zhì)層之間，并且在該氣體擴散介質(zhì)層外側(cè)放置陰極板和陽極板。該組件經(jīng)壓制形成燃料電池。

該催化劑層可以附著于PEM上形成膜電極組件（MEA）（也就是通常所說的催化劑涂布膜（CCM））。形成MEA的一種方法包含通過在墊片框架中直接噴涂或者涂布使得電極墨沉積在PEM上。替代地，可以在貼膜上形成電極并且轉(zhuǎn)移至PEM。替代地，催化劑/離聚物墨涂布于氣體擴散介質(zhì)（GDM）基板上。該中間產(chǎn)物稱為催化劑涂層擴散介質(zhì)（CCDM）。

典型地，電極墨包括負(fù)載在載體例如碳載體上的粉末催化劑和分散于混合溶劑中的離聚物溶液。該混合溶劑通常包括一種或多種有機溶劑如乙醇和水，兩者的比率取決于催化劑的類型。接下來，該混合物在涂布于PEM、貼膜基板或者GDM上之前通過球磨大約均化3天。通過墊片的厚度可以控制催化劑的用量；對于Mayer棒涂布，通過螺紋數(shù)可以控制催化劑的用量。如果需要，可以通過多次涂布獲得較高的催化劑用量。在涂敷濕墨之后，在烘箱中干燥以分離出溶劑并且形成電極。在催化劑/離聚物涂布的貼膜干燥之后，接下來將催化劑/離聚物通過熱壓轉(zhuǎn)移到PEM上形成MEA。陽極和陰極可以同時熱壓到PEM上。熱壓的壓力和時間隨MEAs的類型不同而改變。

已知由催化劑墨制成的電極易于在表面形成網(wǎng)狀裂隙，被稱為“龜裂”。眾所周知，由于濕膜干燥引發(fā)應(yīng)力的發(fā)展并且固體材料開始固結(jié)。雖然不希望被理論所限制，但是由于在電極制造過程中催化劑墨不均勻的干燥使得可能形成裂隙。由于電極固有的缺點，在隨后的干燥中也可能形成裂隙。電極是由具有相對弱的結(jié)合力的離聚物約束的碳載體的多孔基體組成。結(jié)果，具有離聚物的碳載體的基體可能是不連續(xù)的。此外，碳載體給離聚物提供了最小的強化，并且所得到的基體可能無法承受在催化劑墨干燥時的重壓，導(dǎo)致在燃料電池運行期間形成裂隙的機率增大。如果薄膜的抗拉強度不足以克服誘導(dǎo)的干燥應(yīng)力，就可能形成龜裂以釋放薄膜應(yīng)力。

網(wǎng)狀裂隙從幾個方面給燃料電池的性能帶來消極影響。例如，在燃料電池運行期間電解質(zhì)膜典型地膨脹和收縮期間，在鄰近電解質(zhì)膜的裂隙底部會形成應(yīng)力集中，這將導(dǎo)致膜退化例如形成針孔。另外，與緊鄰電極的電解質(zhì)膜相比，緊鄰裂隙的電解質(zhì)膜暴露在不同濕度的環(huán)境中。特別是經(jīng)過反復(fù)的膨脹和收縮循環(huán)之后，電解質(zhì)膜深入裂隙的膨脹也可以使電解質(zhì)膜退化。進一步地，電極中的網(wǎng)狀裂隙可能降低電極的有效剛性，在燃料電池運行中將導(dǎo)致MEA發(fā)生不期望地移動。

已經(jīng)有許多方法用于減少龜裂。一種方法是延長干燥催化劑墨允許的時間。然而，延長干燥時間也就要增加制造成本并且不足以減少裂隙。在燃料電池后序操作中，延長干燥時間也不能優(yōu)化電極的抗裂能力。

因此，需要制造龜裂減少的電極。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明滿足這個需要。本發(fā)明一方面是一種包括基底的基本上無裂隙的電極層；以及所述基底上基本上無裂隙的電極層，所述電極層包括催化劑，離聚物和層狀硅酸鹽加強物。

本發(fā)明的另一方面是一種一種制造基本上無裂隙的電極的方法。在一個實施例中，該方法包括在溶劑中混合層狀硅酸鹽加強物以形成混合物；將所述混合物與催化劑和離聚物混合以形成電極墨；將所述電極墨沉積到基底上；以及干燥所述電極墨以形成基本上無裂隙的電極層。

本發(fā)明的另一方面是一種用于燃料電池的催化劑墨成分。在一個實施例中，該催化劑墨成分包括催化劑，其被承載在多個導(dǎo)電顆粒上；離聚物；溶劑；以及層狀硅酸鹽加強物。

本發(fā)明的另一方面是一種膜電極組件。在一個實施例中，該膜電極組件包括：質(zhì)子交換膜；所述質(zhì)子交換膜的相對側(cè)上的一對氣體擴散介質(zhì)基底；以及所述質(zhì)子交換膜和該對氣體擴散介質(zhì)基底的每個之間的一對電極層，所述電極層沉積在所述質(zhì)子交換膜上或所述氣體擴散介質(zhì)基底上，所述電極層的至少一個基本上無裂隙并且包括催化劑，離聚物和層狀硅酸鹽加強物。

本發(fā)明還提供了以下方案：

1.?一種制造基本上無裂隙的電極的方法，包括：

在溶劑中混合層狀硅酸鹽加強物以形成混合物；

將所述混合物與催化劑和離聚物混合以形成電極墨；

將所述電極墨沉積到基底上；以及

干燥所述電極墨以在所述基底上形成基本上無裂隙的電極層。