[发明专利]在独立式微孔层上的直接催化剂涂层

说明书

技术领域

本发明总体涉及燃料电池，更具体地涉及涂有催化剂层的独立式（free standing）微孔层（MPL），涉及用这种层制备的聚合物膜，并涉及改善燃料电池耐久性的方法。

背景技术

电化学转换电池（常称为燃料电池）通过加工反应物（例如，通过氢和氧的氧化和还原）产生电能。作为聚合物电解质燃料电池（PEFC）的核心元件，膜电极组件（MEA）包括双面都有催化剂层的聚合物膜（例如，质子交换膜（PEM））。MEA一般分成催化剂涂覆膜（CCM）和附着于PEM的催化剂涂覆的扩散介质（CCDM）。

耐久性是影响燃料电池商业可行性的一个因素。由于膜溶胀和皱缩引起的MEA机械故障是影响燃料电池耐久性的主要问题。为改善MEA耐久性，已经将MPL层热压到CCM上并设置在CCM和一对气体扩散介质层之间。所述元件被压制以形成燃料电池。这种方法有几个缺点。这种MEA制备方法更复杂，因此增加了造价。另外，这种技术无法适应目前在MEA的下补垫（sub-gasket）边缘防护上的燃料电池组设计。此外，它需要多个热压工序，其可能损害所述PEM和MEA。因此需要一种方法，从而以最小的代价改善燃料电池的耐久性，而不会对所述元件有潜在损害，也不会干扰目前的燃料电池组设计。

发明内容

本发明满足了这个需求。本发明的一个方面涉及一种制备补强的膜电极组件的方法。在一个实施方案中，所述方法包括提供催化剂涂覆的独立式微孔层；提供聚合物膜；和将所述催化剂涂覆的独立式微孔层粘在所述聚合物膜的表面上。

本发明的另一方面涉及一种催化剂涂覆的独立式微孔层。在一个实施方案中，所述催化剂涂覆的独立式微孔层包含：独立式微孔层和涂覆在所述独立式微孔层的表面上的催化剂层。

本发明的另一方面涉及一种补强的膜电极组件。在一个实施方案中，所述补强的膜电极组件包含：聚合物膜和粘到所述聚合物膜表面上的催化剂涂覆的独立式微孔层。

具体地说，本申请涉及以下内容:

1. 一种制备补强的膜电极组件的方法，其包括:

提供催化剂涂覆的独立式微孔层；

提供聚合物膜；

将所述催化剂涂覆的独立式微孔层粘在所述聚合物膜的表面上。

2. 第1项所述的方法，其中所述催化剂涂覆的独立式微孔层使用热压方法来粘接。

3. 第2项所述的方法，其还包括在粘接以前在所述催化剂涂覆的独立式微孔层和所述聚合物膜之间插入下衬垫材料。

4. 第1项所述的方法，其中将第二层催化剂涂覆的独立式微孔层粘在所述聚合物膜的第二表面上。

5. 第1项所述的方法，其中所述催化剂涂层还包含离聚物和碳纳米纤维中的至少一种。

6. 第1项所述的方法，其中提供所述催化剂涂覆的独立式微孔层包括；

提供独立式微孔层；

在所述独立式微孔层上涂覆催化剂层。

7. 第6项所述的方法，其中至少两层催化剂被涂覆在所述独立式微孔层上。

8. 第6项所述的方法，其中所述催化剂层还包含离聚物和碳纳米纤维中的至少一种。

9. 第6项所述的方法，其中涂覆所述催化剂层包括:

将填片框架（shim frame）放置在所述独立式微孔层上；

将涂料放置在所述填片框架上；

使滑杆或刷子滑过所述涂料以覆盖所述独立式微孔层；和

干燥所述催化剂层。

10. 第9项所述的方法，其中所述涂料放置在所述填片框架上而不使所述涂层材料接触所述独立式微孔层。

11. 第9项所述的方法，其还包括向所述独立式微孔层施加真空。

12. 一种催化剂涂覆的独立式微孔层，其包含:

独立式微孔层；

涂覆在所述独立式微孔层的表面上的催化剂层。

13. 第12项所述的催化剂涂覆的独立式微孔层，其中所述催化剂层包括至少两层催化剂层。

14. 第12项所述的催化剂涂覆的独立式微孔层，其中所述催化剂层还包含离聚物和碳纳米纤维中的至少一种。

15. 一种补强的电极组件，其包含:

聚合物膜；

粘在所述聚合物膜的表面上的催化剂涂覆的独立式微孔层。

16. 第15项所述的补强的膜电极组件，其还包含粘在所述聚合物膜的第二表面上的第二催化剂涂覆的独立式微孔层。

17. 第15项所述的补强的膜电极组件，其中在所述独立式微孔层上的催化剂涂层包括至少两个层。