[发明专利]用于减少燃料电池组件中龟裂的湿法层压工艺

说明书

技术领域

本公开涉及制造基本上没有裂缝的电极层的方法，并且涉及基本上没有裂缝的电极层及含有基本上没有裂缝的电极层的燃料电池。

背景技术

通常称为燃料电池的电化学转换电池通过处理反应物，例如，通过氢气与氧气的氧化和还原，产生电能。典型的聚合物电解质燃料电池包括在两侧都具有电极层（例如，含有最少一个催化剂类型和一个离聚物型）的聚合物薄膜（例如，质子交换薄膜（PEM））。涂有催化剂的PEM位于一对气体扩散介质层之间，阴极板和阳极板位于气体扩散介质层的外侧。这些部件被压缩以形成燃料电池。

催化剂层可连接至PEM形成薄膜电极组件（MEA）（也称为催化剂涂层膜（CCM））。形成MEA的一种方法包括通过在垫片框架中直接喷射或涂覆将电极墨水沉积在PEM上。可选地，所述电极可形成在贴花上，再转移至PEM。可选地，催化剂/离聚物墨水可涂在气体扩散介质（GDM）基底上，这称为催化剂涂层扩散介质（CCDM）。

通常，电极墨水包括在载体（例如碳载体）上的粉末催化剂、和分散在混合溶剂中的离聚物溶液。所述混合溶剂一般含有特定比率的一种或多种有机溶剂（例如酒精）和水，该特定比率依赖于催化剂的类型。然后在涂到PEM、贴花基底或GDM之前，通过球磨直至约3天使该混合物均质。对于垫片涂层，可通过垫片的厚度来控制催化剂添加量；对于Mayer棒涂层，可通过线程数来控制催化剂添加量。根据需要，对于更高的催化剂添加量可采用多个涂层。在涂覆了湿墨水之后，在烤炉中使溶剂变干燥，以分离溶剂，形成电极。在催化剂/离聚物涂层贴花干燥后，然后催化剂/离聚物通过热压转移到PEM上，以形成MEA。阳极和阴极可同时热压在PEM上。对于不同类型的MEA，热压的压力和时间可不同。

已知由催化剂墨水制成的电极易于在表面上形成被称为“龟裂”的裂缝网络。众所周知，随着湿膜干燥和固体材料开始变坚固时，应力逐渐产生。尽管在理论上不希望被约束，但是由于湿膜中局部厚度差异产生的应力梯度，会形成裂缝。由于电极的固有脆弱，裂缝还会在干燥之后形成。电极由被离聚物粘合的碳载体多孔基质形成，离聚物为比较弱的粘合剂。因此，离聚物内的碳载体基质可能是不连续。另外，碳载体给离聚物提供了最小的加强，生成的基质可能无法承受催化剂墨水干燥期间的大量应力，导致有更大的机会在燃料电池操作期间形成裂缝。如果膜的拉伸强度不足以克服产生的干燥应力，会形成龟裂以释放膜的应力。

裂缝网络会以几种方式不利地影响燃料电池的性能。例如，在燃料电池操作时电解质薄膜的典型膨胀和收缩期间，裂缝的基部会在相邻的电解质薄膜上形成应力集中，会导致薄膜的退化，例如形成针孔。另外，紧邻裂缝的电解质薄膜暴露于与紧邻电极的电解质薄膜不同的湿度环境。电解质薄膜形成裂缝的膨胀也会使电解质薄膜退化，特别是在反复的膨胀收缩循环之后。另外，电极中的裂缝网络会降低电极的有效刚度，导致燃料电池操作期间MEA的不期望移动。

开发了用于减少龟裂的多种方法。一种方法包括延长催化剂墨水干燥的时间。然而，延长干燥时间也提高了制造成本，并且不足以减少裂缝。延长干燥时间还会无法优化燃料电池后续操作期间电极的抗裂。

发明内容

本发明的一方面是制造基本上没有裂缝的电极的方法。在一个实施例中，所述方法包括：将电极墨水沉积在基底上；在湿电极墨水的表面上放置多孔加强层；以及干燥所述电极墨水，以在所述基底上形成基本没有裂缝的电极层。

本发明的另一方面是基本上没有裂缝的电极层。在一个实施例中，所述基本上没有裂缝的电极层包括：基底；以及在所述基底上的基本没有裂缝的电极层，所述电极层包括催化剂、离聚物和多孔加强层。

本发明的再一方面是燃料电池。在一个实施例中，所述燃料电池包括：质子交换薄膜；在所述质子交换薄膜相对侧上的一对气体扩散介质基底；在所述质子交换薄膜与所述一对气体扩散介质基底中每一个之间的一对电极层，所述电极层在所述质子交换薄膜或所述气体扩散介质基底上，至少一个电极层基本上没有裂缝，并且包括催化剂、离聚物和多孔加强层；以及在所述质子交换薄膜相对侧并在所述一对气体扩散介质基底外侧的一对板。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1：一种制造基本上没有裂缝的电极的方法，包括：

将电极墨水沉积在基底上；

在湿的电极墨水的表面上放置多孔加强层；以及

干燥所述电极墨水，以在所述基底上形成基本没有裂缝的电极层。

技术方案2：如技术方案1的方法，其中所述多孔加强层为聚合物膜、金属网或织物材料。