[发明专利]增强的电极组件

说明书

优先权

本申请是2008年1月11日提交的名称为“制造使用气体扩散电极作为基底的质子交换膜的方法(Method of Making a Proton Exchange Membrane Using a Gas Diffusion Electrode as a Substrate)”的美国专利申请序列号11/972,817的部分继续申请、2011年1月13日提交的名称为“用于减少燃料电池部件中的龟裂的湿式层压法(Wet Lamination Process For Reducing Mud Cracking In Fuel Cell Components)”的美国专利申请序列号13/005,587的部分继续申请、以及2012年3月30日提交的名称为“具有整体增强层的电极组件(Electrode Assembly With Integrated Reinforcement Layer)”的美国专利申请序列号13/434,898的部分继续申请，这些专利申请的全部内容以参考的方式并入本文中。

技术领域

本申请涉及燃料电池，更具体地涉及燃料电池中所使用的膜组件、其子组件、以及用于制造膜组件和子组件的方法。

背景技术

燃料电池，有时被称为电化学转换电池，通过处理反应物，例如通过氢气和氧气的氧化和还原而产生电能。氢气是非常有吸引力的燃料，因为它是清洁燃料并且可以用于高效率地在燃料电池中产生电能。在对作为车辆动力源的氢燃料电池的开发中，汽车工业已显著扩大了投资。与目前的使用内燃发动机的车辆相比，由氢燃料电池提供动力的车辆可以是更高效的并且产生较少的排放。

在一些燃料电池系统中，氢气或富含氢气的气体作为反应物经过流径被提供至燃料电池阳极侧，同时氧气(例如采用大气中氧气的形式)作为反应物经过单独的流径被提供至燃料电池阴极侧。阳极和阴极促进反应物电化学转化成电子和带正电荷的离子(对于氢气)、以及带负电荷的离子和最终的水(对于氧气)。电解质层将阳极与阴极隔离从而允许离子从阳极传递至阴极的选择性通过，同时抑制所产生的电子的通过，相反迫使电子流经外部导电电路(例如，负载)以便在电子在阴极处与带电离子重新结合之前执行有效功。带正电荷的和带负电荷的离子在阴极处的结合导致作为反应副产物的无污染水的产生。

常规的质子交换膜(“PEM”)燃料电池可包括聚合物电解质膜(或质子交换膜)，在聚合物膜的两侧具有电极层，形成膜电极组件(“MEA”)。膜电极组件可位于一对气体扩散介质层之间，阴极板和阳极板被置于气体扩散介质层的外部。这些部件被压到一起而形成燃料电池。

然而，燃料电池经受可以减小燃料电池使用寿命的缺陷之苦。例如，在催化剂墨电极的形成期间会发生被称为“龟裂”的现象。龟裂是在催化剂电极表面中形成的网状裂缝。该网状裂缝会不合需要地影响燃料电池的性能，例如包括降低电极的有效刚度。另外，在燃料电池的运行期间，由于缺乏机械完整性，膜会经历开裂和失效。

因此，本文中公开了替代的燃料电池、膜电极组件、以及用于制造膜电极组件的方法。

发明内容

在各实施例中，公开了一种制造增强的膜电极组件的方法。该方法包括：使电极墨沉积在第一基底上以形成第一电极层；将第一多孔增强层施加于第一电极层的表面上以形成第一催化剂涂覆的基底；使第一离聚物溶液沉积在第一催化剂涂覆的基底上以形成第一离聚物层；以及将膜多孔增强层施加于第一离聚物层的表面上以形成增强的膜层。

在各实施例中，公开了一种增强的电极组件。该增强的电极组件包括第一催化剂涂覆的基底、位于该第一催化剂涂覆的基底上的增强的膜层。第一催化剂涂覆的基底包括在第一基底上的第一电极层、和在该第一电极层上的第一多孔增强层。增强的膜层包括在第一多孔增强层上的第一离聚物层、和在该第一离聚物层上的膜多孔增强层。

在各实施例中，公开了一种燃料电池。该燃料电池包括：增强的电极组件，该电极组件包括第一催化剂涂覆基底、位于该第一催化剂涂覆基底上的增强的膜层、和位于该增强的膜层上的第二催化剂涂覆基底；以及位于第一催化剂涂覆基底和第二催化剂涂覆基底的基底侧上的一对板。第一催化剂涂覆基底包括在第一基底上的第一电极层、和在该第一电极层上的第一多孔增强层。增强的膜层包括第一离聚物层、和在该第一离聚物层上的膜多孔增强层。第二催化剂涂覆基底包括在第二基底上的第二电极层、在该第二电极层上的第二多孔增强层、以及位于第一催化剂涂覆基底和第二催化剂涂覆基底的基底侧上的一对板。

本发明提供以下技术方案：