[發明專利]用于減少燃料電池組件中龜裂的濕法層壓工藝

無效

• 申請號: 201210009498.9
• 申請日: 2012-01-13
• 公開（公告）號: CN102593468A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: B.M.霍夫塔林;J.P.希利;S.C.穆斯;S.L.彼得斯
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉楨;楊楷

技術領域

本公開涉及制造基本上沒有裂縫的電極層的方法，并且涉及基本上沒有裂縫的電極層及含有基本上沒有裂縫的電極層的燃料電池。

背景技術

通常稱為燃料電池的電化學轉換電池通過處理反應物，例如，通過氫氣與氧氣的氧化和還原，產生電能。典型的聚合物電解質燃料電池包括在兩側都具有電極層（例如，含有最少一個催化劑類型和一個離聚物型）的聚合物薄膜（例如，質子交換薄膜（PEM））。涂有催化劑的PEM位于一對氣體擴散介質層之間，陰極板和陽極板位于氣體擴散介質層的外側。這些部件被壓縮以形成燃料電池。

催化劑層可連接至PEM形成薄膜電極組件（MEA）（也稱為催化劑涂層膜（CCM））。形成MEA的一種方法包括通過在墊片框架中直接噴射或涂覆將電極墨水沉積在PEM上。可選地，所述電極可形成在貼花上，再轉移至PEM。可選地，催化劑/離聚物墨水可涂在氣體擴散介質（GDM）基底上，這稱為催化劑涂層擴散介質（CCDM）。

通常，電極墨水包括在載體（例如碳載體）上的粉末催化劑、和分散在混合溶劑中的離聚物溶液。所述混合溶劑一般含有特定比率的一種或多種有機溶劑（例如酒精）和水，該特定比率依賴于催化劑的類型。然后在涂到PEM、貼花基底或GDM之前，通過球磨直至約3天使該混合物均質。對于墊片涂層，可通過墊片的厚度來控制催化劑添加量；對于Mayer棒涂層，可通過線程數來控制催化劑添加量。根據需要，對于更高的催化劑添加量可采用多個涂層。在涂覆了濕墨水之后，在烤爐中使溶劑變干燥，以分離溶劑，形成電極。在催化劑/離聚物涂層貼花干燥后，然后催化劑/離聚物通過熱壓轉移到PEM上，以形成MEA。陽極和陰極可同時熱壓在PEM上。對于不同類型的MEA，熱壓的壓力和時間可不同。

已知由催化劑墨水制成的電極易于在表面上形成被稱為“龜裂”的裂縫網絡。眾所周知，隨著濕膜干燥和固體材料開始變堅固時，應力逐漸產生。盡管在理論上不希望被約束，但是由于濕膜中局部厚度差異產生的應力梯度，會形成裂縫。由于電極的固有脆弱，裂縫還會在干燥之后形成。電極由被離聚物粘合的碳載體多孔基質形成，離聚物為比較弱的粘合劑。因此，離聚物內的碳載體基質可能是不連續。另外，碳載體給離聚物提供了最小的加強，生成的基質可能無法承受催化劑墨水干燥期間的大量應力，導致有更大的機會在燃料電池操作期間形成裂縫。如果膜的拉伸強度不足以克服產生的干燥應力，會形成龜裂以釋放膜的應力。

裂縫網絡會以幾種方式不利地影響燃料電池的性能。例如，在燃料電池操作時電解質薄膜的典型膨脹和收縮期間，裂縫的基部會在相鄰的電解質薄膜上形成應力集中，會導致薄膜的退化，例如形成針孔。另外，緊鄰裂縫的電解質薄膜暴露于與緊鄰電極的電解質薄膜不同的濕度環境。電解質薄膜形成裂縫的膨脹也會使電解質薄膜退化，特別是在反復的膨脹收縮循環之后。另外，電極中的裂縫網絡會降低電極的有效剛度，導致燃料電池操作期間MEA的不期望移動。

開發了用于減少龜裂的多種方法。一種方法包括延長催化劑墨水干燥的時間。然而，延長干燥時間也提高了制造成本，并且不足以減少裂縫。延長干燥時間還會無法優化燃料電池后續操作期間電極的抗裂。

發明內容

本發明的一方面是制造基本上沒有裂縫的電極的方法。在一個實施例中，所述方法包括：將電極墨水沉積在基底上；在濕電極墨水的表面上放置多孔加強層；以及干燥所述電極墨水，以在所述基底上形成基本沒有裂縫的電極層。

本發明的另一方面是基本上沒有裂縫的電極層。在一個實施例中，所述基本上沒有裂縫的電極層包括：基底；以及在所述基底上的基本沒有裂縫的電極層，所述電極層包括催化劑、離聚物和多孔加強層。

本發明的再一方面是燃料電池。在一個實施例中，所述燃料電池包括：質子交換薄膜；在所述質子交換薄膜相對側上的一對氣體擴散介質基底；在所述質子交換薄膜與所述一對氣體擴散介質基底中每一個之間的一對電極層，所述電極層在所述質子交換薄膜或所述氣體擴散介質基底上，至少一個電極層基本上沒有裂縫，并且包括催化劑、離聚物和多孔加強層；以及在所述質子交換薄膜相對側并在所述一對氣體擴散介質基底外側的一對板。

本發明提供下列技術方案。

技術方案1：一種制造基本上沒有裂縫的電極的方法，包括：

將電極墨水沉積在基底上；

在濕的電極墨水的表面上放置多孔加強層；以及

干燥所述電極墨水，以在所述基底上形成基本沒有裂縫的電極層。

技術方案2：如技術方案1的方法，其中所述多孔加強層為聚合物膜、金屬網或織物材料。