[发明专利]减少燃料电池部件中的龟裂的湿层压法

说明书

背景技术

通常称为燃料电池的电化学转化电池通过加工反应物产生电能，例如通过氢和氧的氧化和还原。典型的聚合物电解质燃料电池包括两侧具有电极层(例如，含有最低量的一种催化剂和一种离聚物)的聚合物隔膜(例如，质子交换膜(PEM))。涂覆催化剂的PEM位于一对气体扩散介质层之间，并且在该气体扩散介质层外侧放置阴极板和阳极板。该部件经压制形成燃料电池。

该催化剂层可以附着于形成膜电极组件(MEA)的PEM上(也就是通常所说的催化剂涂布膜(CCM))。形成MEA的一种方法包括通过在垫片框架(shim frame)中直接喷涂或者涂布而将电极墨水沉积在PEM上。另外，可以在贴膜上形成电极并且转移至PEM。另外，催化剂/离聚物墨水可涂布于气体扩散介质(GDM)基材上，称为催化剂涂布扩散介质(CCDM)。

典型地，电极墨水包括负载在载体(例如碳载体)上的粉末催化剂和分散于混合溶剂中的离聚物溶液。该混合溶剂通常包括一种或多种有机溶剂(如醇)和水，两者的比率取决于催化剂的类型。接下来，该混合物在涂布于PEM、贴膜基材或者GDM上之前通过球磨大约高达3天以进行均化。对于垫片涂布，通过垫片的厚度可以控制催化剂的载荷量；对于Mayer棒涂布，通过螺纹数可以控制催化剂的载荷量。如果需要，可以通过多次涂布获得较高的催化剂载荷量。在涂覆湿墨水之后，在烘箱中干燥以分离出溶剂并且形成电极。在催化剂/离聚物涂布的贴膜干燥之后，接下来将催化剂/离聚物通过热压转移到PEM上形成MEA。阳极和阴极可以同时热压到PEM上。热压的压力和时间随MEA的类型不同而改变。

已知由催化剂墨水制成的电极易于在表面形成网状裂纹，被称为“龟裂，mud cracking”。众所周知，在湿膜干燥并且固体材料开始固结时形成应力。虽然不希望被理论所限制，但认为可能由于在电极制造过程中催化剂墨水的不均匀干燥而形成裂纹。由于电极固有的柔弱性，在随后的干燥中也可能形成裂纹。电极是由离聚物约束的碳载体的多孔基质(，其具有相对弱的结合力)组成。结果，离聚物内的碳载体的基质可能是不连续的。此外，碳载体给离聚物提供了最小的强化，并且所得到的基质可能无法承受在催化剂墨水干燥时的巨大应力，导致在燃料电池运行期间形成裂纹的机率增大。如果薄膜的拉伸强度不足以克服诱导的干燥应力，就可能形成龟裂以释放薄膜应力。

网状裂纹从几个方面给燃料电池的性能带来消极影响。例如，在燃料电池运行期间电解质隔膜发生典型的膨胀和收缩时，在邻近电解质隔膜的裂纹底部会形成应力集中，这将导致隔膜退化，例如形成针孔。另外，与紧邻电极的电解质隔膜相比，紧邻裂纹的电解质隔膜暴露在不同湿度的环境中。特别是经过反复的膨胀和收缩循环之后，该电解质隔膜膨胀进入裂纹也可以使电解质隔膜退化。进一步地，电极中的网状裂纹可能降低电极的有效挺度，在燃料电池运行中将导致MEA发生不期望的移动。

已经有许多方法用于减少龟裂。种方法包括延长干燥催化剂墨水的时间。然而，延长干燥时间也就增加了制造成本并且不足以减少裂纹。延长干燥时间也不能优化电极在燃料电池后序操作中的抗裂能力。

因此，需要制造龟裂减少的电极。

发明内容

本发明满足这个需要。本发明的一个方面是一种基本上无裂纹的电极的制造方法。在一个具体实施方式中，该方法包括在基材上沉积电极墨水；在湿电极墨水表面放置固体聚合物膜；干燥该电极墨水；并且从干电极墨水表面除去该固体聚合物膜从而在基材上形成基本上无裂纹的电极层。

特别地，本发明涉及以下内容：

1、一种基本上无裂纹的电极的制造方法，包括：

在基材上沉积电极墨水；

在湿电极墨水表面放置固体聚合物膜；

干燥其上具有该固体聚合物膜的该电极墨水；并且

从干电极墨水表面除去该固体聚合物膜从而在基材上形成基本上无裂纹的电极层。

2、项目1的方法，其中固体聚合物膜是聚乙烯、聚四氟乙烯、乙烯四氟乙烯或其组合。

3、项目1的方法，其中该电极墨水包括溶剂、离聚物和催化剂。

4、项目3的方法，其中该溶剂包括有机溶剂、水或者其组合。

5、项目4的方法，其中该有机溶剂是异丙醇、正丙醇、乙醇、丁醇、双丙酮醇、戊醇或其组合。

6、项目4的方法，其中该离聚物是全氟磺酸聚合物、磺化聚醚酮、芳酮或聚苯并咪唑。

7、项目4的方法，其中催化剂是铂族金属。

8、项目4的方法，其中催化剂负载在导电载体颗粒上。