[發明專利]PPS電極增強材料/裂紋緩和劑

有效

• 申請號: 201310341221.0
• 申請日: 2013-08-07
• 公開（公告）號: CN103579635A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: J.米切爾;T.J.富勒
• 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: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/90;H01M4/92
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 韋欣華;萬雪松

技術領域

本發明涉及用于制造燃料電池組件的方法。

背景技術

在質子交換膜類型的燃料電池中，氫氣供給到陽極作為燃料，和氧氣供給到陰極作為氧化劑。氧氣可以是純形式(O₂)或者空氣(O₂和N₂的混合物)。質子交換膜(PEM)燃料電池通常具有膜電極組件(MEA)，其中固體聚合物膜在一個面上具有陽極催化劑以及在相對面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極層和陰極層由多孔導電材料形成，例如編織石墨(woven?graphite)、石墨化片或者炭紙以使燃料能夠分散在朝向燃料供給電極的膜表面上。通常，離子導電聚合物膜包含全氟磺酸(PFSA)離聚物。

各催化劑層具有負載在碳顆粒上的、細粒催化劑顆粒(例如鉑顆粒)以促進陽極處的氫氣氧化，和陰極處的氧氣還原。質子從陽極透過離子導電聚合物膜流動到陰極，在此所述質子與氧氣結合形成從電池排放的水。

MEA夾持在一對多孔氣體擴散層(GDL)之間，所述多孔氣體擴散層夾持在一對導電流場元件或者板之間。所述板充當陽極和陰極的集流器，并包括形成在其中的適當的通道和開口，用于在相應的陽極和陰極催化劑的表面上分配燃料電池的氣體反應物。為了有效地產生電，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須薄、化學穩定、可傳導質子、不導電和氣體不可滲透。在典型的應用中，燃料電池以堆疊的許多單個燃料電池的陣列設置以提供高的電功率水平。

在許多燃料電池應用中，電極層由包含貴金屬和全氟磺酸聚合物(PFSA)的油墨（ink）組合物形成。例如，在質子交換膜燃料電池的電極層制造中，PFSA通常添加到Pt/C催化劑油墨中以給分散的Pt催化劑納米顆粒提供質子傳導性，以及提供多孔碳網絡的結合。傳統的燃料電池催化劑將碳黑與碳表面上的鉑沉積物，以及離聚物組合。碳黑提供(部分地)高表面積的導電基材。鉑沉積物提供了催化劑性能，并且離聚物提供了質子傳導組分。電極由包含碳黑催化劑和離聚物的油墨形成，它們通過干燥結合形成電極層。雖然目前制造離子導電膜的技術效果相當不錯，但仍然有需要改進的地方。

因此，本發明提供了制造可用于燃料電池應用的組件的改進方法。

發明內容

本發明通過在至少一個實施方式中提供用于燃料電池應用的金屬電極組件解決了現有技術中的一個或多個問題。該金屬電極組件包括陰極催化劑層、陽極催化劑層以及設置在陰極催化劑層和陽極催化劑層之間的離子導電膜。該陰極催化劑層或陽極催化劑層各自獨立地包含催化劑組合物和第一聚合物，其中所述陰極催化劑層或陽極催化劑層中至少一者包含第一聚合物和含聚苯硫醚結構。

在另一實施方式中，提供了用于形成催化劑層的油墨組合物。該油墨組合物包含溶劑、第一聚合物、包含聚苯硫醚的纖維、和催化劑組合物。

在另一實施方式中，提供了形成燃料電池催化劑層的方法。該方法包括將包含聚苯硫醚的樹脂與水溶性載體樹脂合并以形成樹脂混合物的步驟。將該樹脂混合物成形以形成成形的樹脂混合物。該成形的樹脂混合物具有位于載體樹脂中的含聚苯硫醚結構。將該成形的樹脂混合物與水接觸，以從載體樹脂中分離含聚苯硫醚結構。任選地將該含聚苯硫醚結構磺化。將該含聚苯硫醚結構與第一聚合物合并以形成聚合物組合物。將該聚合物組合物形成為具有分散在載體樹脂中的含聚苯硫醚結構的膜。

有利地，將包含聚苯硫醚和/或磺化聚苯硫醚（S-PPS）的結構（如）纖維添加到催化劑層中以提高耐用性和短路抗性。PPS和S-PPS納米纖維比目前用于增強聚合電解質膜的膨體聚四氟乙烯纖維網（ePTFE）的結構更穩定，因為PPS和S-PPS納米纖維在壓力下不變形。此外，PPS和S-PPS納米纖維易于分散在水和醇中并且可以用導電層涂覆使它們成為優良的電極增強添加劑，其緩和了干燥時電極層的裂紋。

具體地，本發明涉及以下方面的技術方案：

●?1.?用于燃料電池的金屬電極組件，所述金屬電極組件包括：

陰極催化劑層；

陽極催化劑層，所述陰極催化劑層或陽極催化劑層各自獨立地包含催化劑組合物和第一聚合物，其中所述陰極催化劑層或陽極催化劑層中至少一者包含第一聚合物和含聚苯硫醚結構；和

設置在陰極催化劑層和陽極催化劑層之間的離子導電膜。

●?2.?根據方面1所述的金屬電極組件，其中所述含聚苯硫醚結構包括選自纖維、珠粒、球體和長圓形體的組分。

●?3.?根據前述方面中任一項所述的金屬電極組件，其中所述催化劑組合物包含貴金屬或含貴金屬化合物。