具有多层阴极的燃料电池膜电极组件的制作方法
【专利说明】
[0001] 本专利申请是申请日为2009年12月22日，发明名称为"具有多层阴极的燃料电 池膜电极组件"的中国专利申请200980156878. 1的分案申请。
[0002] 相关专利申请的香叉引用
[0003] 本专利申请要求于2008年12月22日提交的美国临时专利申请No. 61/139925的 优先权，其公开内容全文W引用方式并入本文。
技术领域
[0004] 本发明设及具有多层阴极的聚合物电解质膜燃料电池膜电极组件，其中更靠近聚 合物电解质膜的阴极第一层比阴极第二层更亲水，第二层距离聚合物电解质膜更远。
【发明内容】
[0005] 简而言之，本发明提供了一种燃料电池膜电极组件，其包括；i)具有第一和第二 面的聚合物电解质膜；ii)支撑在聚合物电解质膜第一面上的阳极催化剂层；iii)支撑在 聚合物电解质膜第二面上的第一阴极催化剂层，该第一阴极催化剂层包含第一阴极催化剂 材料和第一聚合物电解质；W及iv)支撑在第一阴极催化剂层上的第二阴极催化剂层，该 第二阴极催化剂层包含第二阴极催化剂材料和第二聚合物电解质；其中第一阴极催化剂层 比第二阴极催化剂层更亲水。在一些实施例中，第一聚合物电解质具有第一当量重量，第二 聚合物电解质具有第二当量重量，并且第一当量重量小于第二当量重量，典型地小于第二 当量重量的85%，在一些实施例中小于第二当量重量的70%。在一些实施例中，第一当量 重量为1050或更小，更典型地为1000或更小，更典型地为950或更小，更典型地为900或 更小，更典型地为850或更小，并且最典型地为800或更小。典型地，第一阴极催化剂层紧 邻聚合物电解质膜的第二面。典型地，第二阴极催化剂层紧邻第一阴极催化剂层。典型地， 第一阴极催化剂材料的重量与第二阴极催化剂材料的重量的比例为1:4到4:1，更典型地 为1:2到2:1。典型地，第一和第二聚合物电解质为高度氣化的，更典型地为全氣化的。第 一和第二聚合物电解质可包含根据下式的侧基；-O-CF2-CF2-CF2-CF2-SO3H。
[0006] 在另一方面，本发明提供了一种制备燃料电池膜电极组件的方法，其包括W下步 骤；i)提供具有第一和第二面的聚合物电解质膜；ii)将第一阴极催化剂层施加到聚合物 电解质膜的第二面上，该第一阴极催化剂层包含第一阴极催化剂材料和具有第一当量重量 的第一聚合物电解质；W及iii)将第二阴极催化剂层施加到第一阴极催化剂层上，该第二 阴极催化剂层包含第二阴极催化剂材料和具有第二当量重量的第二聚合物电解质；其中第 一阴极催化剂层比第二阴极催化剂层更亲水。在一些实施例中，该方法还可W包括W下步 骤；iv)在步骤iii)前将第二阴极催化剂层施加到气体扩散层上，W制备催化剂涂覆的背 衬；并且其中步骤iii)包括将催化剂涂覆的背衬施加到第一阴极催化剂层上。在一些实 施例中，该方法还可W包括W下步骤；V)将阳极催化剂层施加到聚合物电解质膜的第一面 上。在该方法的一些实施例中，第一当量重量小于第二当量重量，典型地小于第二当量重量 的85%，在一些实施例中，小于第二当量重量的70%。在一些实施例中，第一当量重量为 1050或更小，更典型地为1000或更小，更典型地为950或更小，更典型地为900或更小，更 典型地为850或更小，并且最典型地为800或更小。典型地，第一阴极催化剂层紧邻聚合物 电解质膜的第二面。典型地，第二阴极催化剂层紧邻第一阴极催化剂层。典型地，第一阴极 催化剂材料的重量与第二阴极催化剂材料的重量的比例为1:4到4:1，更典型地为1:2到 2:1。典型地，第一和第二聚合物电解质为高度氣化的，更典型地为全氣化的。第一和第二 聚合物电解质可包含根据下式的侧基；-O-CF2-CF2-CF2-CF2-SO3H。
[0007] 在另一方面，本发明提供了一种制备燃料电池膜电极组件的方法，其包括W下步 骤；i)提供具有第一和第二面的聚合物电解质膜；ii)提供具有表面的气体扩散层；iii) 将第二阴极催化剂层施加到气体扩散层的表面上，该第二阴极催化剂层包含第二阴极催化 剂材料和具有第二当量重量的第二聚合物电解质；iv)将第一阴极催化剂层施加到第二阴 极催化剂层上，该第一阴极催化剂层包含第一阴极催化剂材料和具有第一当量重量的第一 聚合物电解质；其中第一阴极催化剂层比第二阴极催化剂层更亲水。在一些实施例中，该方 法还可W包括W下步骤；V)将阳极催化剂层施加到聚合物电解质膜的第一面上。在该方法 的一些实施例中，第一当量重量小于第二当量重量，典型地小于第二当量重量的85%，并且 在一些实施例中小于第二当量重量的70%。在一些实施例中，第一当量重量为1050或更 小，更典型地为1000或更小，更典型地为950或更小，更典型地为900或更小，更典型地为 850或更小，并且最典型地为800或更小。典型地，第一阴极催化剂层紧邻聚合物电解质膜 的第二面。典型地，第二阴极催化剂层紧邻第一阴极催化剂层。典型地，第一阴极催化剂材 料的重量与第二阴极催化剂材料的重量的比例为1:4到4:1，更典型地为1:2到2:1。典型 地，第一和第二聚合物电解质为高度氣化的，更典型地为全氣化的。第一和第二聚合物电解 质可包含根据下式的侧基；-O-CF2-CF2-CF2-CF2-SO3H。
[000引 在本专利申请中；
[0009] 聚合物的"当量重量"（EW)是指会中和一个当量碱的聚合物重量；
[0010] "高度氣化的"是指包含40重量％或更多的氣，典型地包含50重量％或更多的氣， 更典型包含60重量％或更多的氣。
【附图说明】
[0011] 图1为如实例所述在经过反复的开启/关闭循环后根据本发明的MEA的极化曲线 图。每条曲线都标记有在测量曲线前所经历的开启/关闭循环数。
[0012] 图2为如实例所述在经过反复的开启/关闭循环后对比性MEA的极化曲线图。每 条曲线都标记有在测量曲线前所经历的开启/关闭循环数。
【具体实施方式】
[0013] 本发明提供了具有多层阴极的燃料电池膜电极组件，其可在宽泛的操作条件下表 现出良好的性能。
[0014] 根据本发明的膜电极组件（MEA)可用于燃料电池。MEA为质子交换膜燃料电池 (诸如氨燃料电池）的中屯、元件。燃料电池为电化学电池，其通过燃料（诸如氨）和氧化 剂（诸如氧）的催化组合来产生可用的电力。典型的MEA包含聚合物电解质膜（PEM)(也 称为离子导电膜（ICM))，其用作固体电解质。所述阳M的一个面接触阳极电极层，并且相对 的面接触阴极电极层。在典型性应用中，质子通过氨氧化而在阳极处形成，并且被跨过所述PEM传送至所述阴极，W便与氧反应，从而导致电流在连接所述电极的外电路中流动。每个 电极层均包含电化学催化剂，典型地包括销金属。所述PEM在所述反应气体之间形成一种 耐用的、无孔的、不导电的机械屏障，然而它也容易传递H+离子。气体扩散层（GDL)有利于 气体在阳极和阴极电极材料之间来回传送，并且传导电流。所述GDL为多孔且导电的，并且 通常由碳纤维组成。所述GDL也可称为流体传送层（FTL)或扩散片/集电器值CC)。在一 些实施例中，将所述阳极和阴极电极层涂覆到GDL上，并且所得的催化剂涂覆的GDL夹置有 阳M，W形成五层的MEA。五层的MEA中的五个层依次为；阳极GDL、阳极电极层、PEM、阴极电 极层和阴极GDL。在其它实施例中，将所述阳极和阴极电极层涂覆到所述阳M的任一侧上， 并且所得的催化剂涂覆的膜（CCM)夹置于两个GDL之间，W形成五层的MEA。
[0015] 可用于根据本发明的MEA的PEM可包含任何合适的聚合物电解质。在本发明中 可用的聚合物电解质通常具有连接到共主链（commonbac化one)的阴离子官能团，其通常 是横酸基，但也可W包括駿基、酷亚胺基、酷胺基或其它酸性官能团。可用于本发明的聚 合物电解质典型地为高度氣化的，最典型地为全氣化的，但也可W为部分氣化的或非氣化 的。在本发明中可用的聚合物电解质通常是四氣己締和一种或多种氣化的酸官能共聚单 体的共聚物。典型的聚合物电解质包括Nafion":值uPont化emicals,Wilmington呢）和 Flemion?(As址iGlassCo.Ltd. ,Tokyo,Japan)。所述聚合物电解质可W是美国专利申请 10/322,