[發明專利]燃料電池的外部增強上的直接涂覆的膜電極組件

在審

• 申請號: 201410094331.6
• 申請日: 2014-03-14
• 公開（公告）號: CN104051742A
• 公開（公告）日: 2014-09-17
• 發明（設計）人: R.蔣;M.迪奧瓜迪;S.C.穆斯;C.S.吉特爾曼;J.P.希利;B.M.霍塔林
• 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;H01M4/88
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 韋欣華;楊思捷

優先權

本申請為2011年3月25日提交的名稱為“Directed?Catalyst?Coating?on?Freestanding?Microporous?Layer”的美國專利申請序列號13/071,603的部分連續申請，通過引用將其結合到本文中。

技術領域

本文記述的實施方案一般涉及涂覆燃料電池部件的方法，且更具體地，其涉及將多個燃料電池部件涂層涂覆在自立的外部增強結構上。

背景技術

燃料電池，有時其被稱為電化學轉化電池，通過處理反應物，例如，通過氫和氧的氧化和還原，來產生電能。氫可以是非常有吸引力的燃料，因為其是純凈的并且它可以用來在燃料電池中有效地產生電。汽車工業已經在氫燃料電池作為車輛的動力來源的開發中花費了大量的資源。由氫燃料電池驅動的車輛可以比利用內燃機的當今的車輛更有效率并產生更少的排放。

在一些燃料電池系統中，將氫或富氫氣體作為反應物通過流路提供至燃料電池的陽極側，而將氧（如以大氣氧的形式的）作為反應物通過分離的流路提供至燃料電池的陰極側。所述陽極和陰極促進反應物電化學轉化成電子和帶正電荷的離子（對于氫）和帶負電荷的離子（對于氧）。電解質層使陽極與極陰分離以使離子選擇性地通過從陽極至陰極，同時禁止產生的電子的通過，其相反被迫流經外部導電電路（如，負載）以作有用功然后在陰極上與所述帶電離子重新結合。在陰極上帶正電荷和帶負電荷的離子的結合導致產生作為反應的副產物的無污染的水。

傳統的質子交換膜（“PEM”）燃料電池可以包括固體聚合物電解質膜（或質子交換膜）并在該聚合物膜兩側上的都具有電極層，形成膜電極組件（“MEA”）的。所述膜電極組件可以位于一對氣體擴散介質層之間，其每一個都具有形成在擴散介質上的微孔層，并且在所述氣體擴散介質層的外側放置陰極板和陽極板。壓縮所述部件以形成燃料電池。

然而，燃料電池具有那些會降低燃料電池壽命的缺點。例如，涂覆在固體聚合物電解質膜兩側的電極層可能在界面上具有降低的結合，導致不太耐久的燃料電池。此外，由于在子墊圈上發生的MEA過壓縮和MEA壓縮不足可能會縮短膜的壽命，并由此縮短燃料電池的壽命。用來形成MEA的制造方法可能引起過壓縮，其中所述膜溶脹并在整個MEA上產生壓縮載荷不一致。這會導致構成MEA的各種部件的永久變形。壓縮不足也可能由于制造方法而發生并會導致膜的屈曲。膜的屈曲可能導致形成在其上的陽極和陰極中的一個開裂。

因此，本文公開了替代燃料電池、增強的催化劑復合結構、膜電極組件和制造方法。

發明內容

本文公開的實施方案為制造增強的催化劑復合結構的方法。所述方法包括提供自立的外部增強層，將催化劑溶液沉積到所述自立的外部增強層的至少一部分上以形成催化劑層，和將膜溶液沉積到所述催化劑層的至少一部分上以形成增強的催化劑復合結構。

本文還公開的實施方案為制造增強的膜電極組件的方法。所述方法包括將第一催化劑溶液沉積到第一自立的外部增強層的至少一部分上以在所述第一自立的外部增強層上形成第一催化劑層，將第一膜溶液沉積到所述第一催化劑層的至少一部分上以在所述第一催化劑層上形成第一膜層，其中所述第一自立的外部增強層、所述第一催化劑層和所述第一膜層一起構成第一增強的催化劑復合結構，將第二催化劑溶液沉積到第二自立的外部增強層的至少一部分上以形成第二催化劑層，其中所述第二自立的外部增強層和所述第二催化劑層一起構成第二增強的催化劑復合結構，以及連接所述第一增強的催化劑復合結構和所述第二增強的催化劑復合結構以形成膜電極組件，其中連接是這樣的：所述第一膜層位于所述第一催化劑層和所述第二催化劑層之間。

本文還公開的實施方案為制造增強的膜電極組件的方法。所述方法包括將第一催化劑溶液沉積到第一自立的外部增強層的至少一部分上以在所述第一自立的外部增強層上形成第一催化劑層，將第一膜溶液沉積到所述第一催化劑層的至少一部分上以在所述第一催化劑層上形成第一膜層，其中所述第一自立的外部增強層、所述第一催化劑層和所述第一膜層一起構成第一增強的催化劑復合結構，將第二催化劑溶液沉積到氣體擴散介質的至少一部分上以形成第二催化劑層，其中所述第二自立的外部增強層和所述氣體擴散介質一起構成第二增強的催化劑復合結構，以及連接所述第一增強的催化劑復合結構和所述第二增強的催化劑復合結構以形成膜電極組件，其中連接是這樣的：所述第一膜層位于所述第一催化劑層和所述第二催化劑層之間。

本發明涉及以下具體方面：

1.?制造增強的催化劑復合結構的方法，包括：