專利名稱：膜電極組件及其制備方法以及包含它的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種膜電極組件及其制備方法，以及包括該膜電極組件的燃料電池系統(tǒng)，更具體地，本發(fā)明涉及催化劑用量減少和形成三相界面效應改善的膜電極組件及其制備方法，以及包括該膜電極組件的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種發(fā)電系統(tǒng)，它將氧氣和烴基材料例如甲醇、乙醇和天然氣中的氫氣反應獲得的化學能轉(zhuǎn)化為電能。
根據(jù)所用電解質(zhì)的類型，燃料電池可以分為磷酸型、熔融碳酸鹽型、固體氧化物型、聚合物電解質(zhì)型或堿性型燃料電池。盡管每種燃料電池基本上根據(jù)相同的基本原理操作，但是燃料的類型、工作溫度、催化劑和電解質(zhì)可以根據(jù)燃料電池的種類選擇。
近來，功率特性優(yōu)于常規(guī)燃料電池、工作溫度更低、啟動和響應特性更快的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)已經(jīng)發(fā)展起來。它具有可用于廣闊的領域的若干優(yōu)點，例如汽車中的可移動電源、用于家庭或公共建筑物的分散電源及使用小型電源的電子設備。
聚合物電解質(zhì)燃料電池基本上由包括發(fā)電單元的電池組、重整器、燃料箱和燃料泵組成。電池組構(gòu)成主體，燃料泵將存儲在燃料箱中的燃料提供給重整器。重整器重整燃料產(chǎn)生氫氣，并將氫氣供應給電池組。
因此，聚合物電解質(zhì)燃料電池將存儲在燃料箱中的燃料通過燃料泵供應給重整器。然后，重整器重整燃料產(chǎn)生氫氣，氫氣和氧氣在電池組中發(fā)生電化學反應產(chǎn)生電能。
一種不同類型的燃料電池為液體燃料直接引入電池組中的直接氧化燃料電池(DOFC)。直接氧化燃料電池的實例包括直接甲醇燃料電池。直接氧化燃料電池可以省略對于聚合物電解質(zhì)燃料電池不可缺少的重整器。
根據(jù)上述燃料電池系統(tǒng)，發(fā)電單元具有多個單元電池層疊的結(jié)構(gòu)，單元電池包括膜電極組件(MEA)和隔板(或者稱為“雙極板”)。
膜電極組件由被聚合物電解質(zhì)膜分隔的陽極(稱為“燃料電極”或“氧化電極”)和陰極(稱為“空氣電極”或“還原電極”)構(gòu)成。
隔板不僅充當將反應需要的燃料供應給陽極和將氧氣供應給陰極的通道，而且充當串聯(lián)MEA中陽極和陰極的導體。
燃料的電化學氧化反應發(fā)生在陽極，氧氣的電化學還原反應發(fā)生在陰極，由于該過程中產(chǎn)生的電子遷移，從而產(chǎn)生電、熱和水。
燃料電池的陽極和陰極一般包括含有催化劑的催化劑層和促進氣體擴散的氣體擴散層，根據(jù)需要還可以包括微孔層(MPL)。
催化劑一般包括鉑(Pt)，然而由于鉑成本高，所以一般用碳擔載。催化劑層最初形成于氣體擴散層上并與電解質(zhì)膜接觸，從而制備膜電極組件。
為了提高膜電極組件的性能，理想地應該形成催化劑、電解質(zhì)膜和反應氣體(例如，燃料和氧化劑)之間的三相界面。然而，常規(guī)膜電極組件產(chǎn)生了未在催化劑層和電解質(zhì)膜之間提供具有良好接觸條件的理想三相界面的問題。而且，催化劑層較厚，這增加了未參與氧化/還原反應的催化劑的量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施方案提供一種催化劑層直接涂敷到聚合物電解質(zhì)膜兩個表面上的膜電極組件。
本發(fā)明的另一個實施方案提供一種制備上述膜電極組件的方法。
此外，本發(fā)明的另一個實施方案還提供一種包括上述膜電極組件的燃料電池系統(tǒng)。
在一個實施方案中，本發(fā)明提供一種膜電極組件(MEA)，其包括聚合物電解質(zhì)膜、直接噴涂到聚合物電解質(zhì)膜兩個表面上的催化劑層和布置在催化劑層兩個表面上的氣體擴散層。
在一個實施方案中，本發(fā)明提供一種制備膜電極組件的方法，該方法包括用水或硫酸水溶液潤濕聚合物電解質(zhì)膜；冷凍飽和的聚合物電解質(zhì)膜到0℃或更低溫度；在低于0℃的溫度下，在冷凍的聚合物電解質(zhì)層兩個表面上直接噴涂催化劑層，得到催化劑涂敷膜(CCM)；冷壓CCM；及在CCM的兩個表面上布置氣體擴散層，并進行熱壓。
在另外的實施方案中，本發(fā)明還提供一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括具有用于燃料電池的膜電極組件和插入該膜電極組件兩個表面之間的隔板的發(fā)電部件，燃料供應器，及氧化劑供應器。


通過結(jié)合附圖參照下面的詳細描述，對本發(fā)明更全面的理解和及其許多附帶的優(yōu)點將容易顯而易見和更好地理解，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明膜電極組件的一個實施方案剖視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明在催化劑層和氣體擴散層之間還包括微孔層的膜電極組件的一個實施方案剖視圖；圖3是在冷凍的聚合物電解質(zhì)膜兩個表面上直接噴涂催化劑分散溶液的過程的一個實施方案示意圖；圖4是可用于批量生產(chǎn)的涂敷過程的一個實施方案示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)的一個實施方案的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是冷凍的聚合物電解質(zhì)膜的光學照片；及圖7是用催化劑分散溶液噴涂的冷凍聚合物電解質(zhì)膜表面特征的光學照片。
具體實施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明膜電極組件的一個實施方案剖視圖，圖2是根據(jù)本發(fā)明在催化劑層和氣體擴散層之間還包括微孔層的膜電極組件的一個實施方案剖視圖。
在一個實施方案中，參照圖1，膜電極組件10包括聚合物電解質(zhì)膜11，直接噴涂在聚合物電解質(zhì)膜11的兩個表面上的催化劑層12、12′，及布置在催化劑層12、12′的外表面上的氣體擴散層13、13′。此外，如圖2所示，膜電極組件100的一個實施方案還可以在催化劑層12、12′與氣體擴散層13、13′之間包括微孔層14、14′。
在一個實施方案中，膜電極組件形成如下將水或硫酸水溶液施加到聚合物電解質(zhì)膜上，冷凍該聚合物電解質(zhì)膜，及在冷凍的聚合物電解質(zhì)膜的兩個表面上直接噴涂催化劑層。
因此，在一個實施方案中，膜電極組件的聚合物電解質(zhì)膜可以包含水或硫酸，并具有60～100％由下式1所示的溶脹度
式1溶脹度(％)＝V1/V2×100。
在式1中，V1表示聚合物電解質(zhì)膜中微孔層的體積，V2是指完全飽和的聚合物電解質(zhì)膜中微孔層的體積。
式1中的術(shù)語“完全飽和”是指該層不能進一步飽和的狀態(tài)。
膜電極組件的常規(guī)聚合物電解質(zhì)膜具有約10～30％上式定義的溶脹度。然而，根據(jù)一個實施方案，由于本發(fā)明實施方案的膜電極組件的聚合物電解質(zhì)膜用水和硫酸水溶液飽和然后冷凍，所以該聚合物電解質(zhì)膜具有60～100％式1定義的溶脹度。由于能夠?qū)⑷苊浂缺３衷谏鲜龇秶鷥?nèi)的膜電極組件在聚合物電解質(zhì)膜的微孔中含有大量的水，所以其能夠用于在低增濕或非濕度環(huán)境下運行的燃料電池中。而且，本發(fā)明實施方案的膜電極組件具有良好的質(zhì)子傳導性并促進三相界面的形成。
可以使用原子力顯微鏡(AFM)測量溶脹度。
在一個實施方案中，這些直接噴涂在膜電極組件兩個表面上的催化劑層分別充當通過氧化反應產(chǎn)生電子和質(zhì)子的用于陽極的催化劑，及充當通過還原反應產(chǎn)生水的用于陰極的催化劑。
在一個實施方案中，催化劑層的厚度為5到50μm，優(yōu)選為8到25μm。如果厚度大于50μm，需要更大量的催化劑，會降低催化劑的利用率。如果厚度小于5μm，會降低氧化和還原反應的效率。
在一個實施方案中，催化劑層包括選自鉑、釕、鋨、鉑-X合金(其中X是選自Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ti、V、Cr、Mn、Ru、Os、Sn、W、Rh、Ir、Pd及其混合物中的一種金屬)及其組合中的至少一種金屬催化劑。在一個實施方案中，陰極催化劑層包括選自鉑、鉑-Y合金(其中Y是選自Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ti、Cr、Mn及其混合物中的至少一種金屬)及其組合中的至少一種金屬催化劑。在另一個實施例中，陽極的催化劑層包括鉑、鉑-Z合金(其中Z是選自Cr、Sn、W、Rh、Ir、Pd、Fe、Co及其混合物中的至少一種金屬)及其組合中的至少一種金屬催化劑。
在一個實施方案中，金屬催化劑可以由載體擔載，載體可以包括，但不限于碳顆粒如乙炔黑、石墨、Vulcan-X、科琴黑(ketjen black)、碳納米管、碳納米纖維和碳納米線(nanocoil)，及無機顆粒如氧化鋁和二氧化硅。
此外，膜電極組件的聚合物電解質(zhì)膜具有質(zhì)子傳導性，并起到將陽極產(chǎn)生的質(zhì)子傳遞到陰極的離子交換膜的作用。
因此，在一個實施方案中，聚合物電解質(zhì)膜包括選自全氟基聚合物、苯并咪唑基聚合物、酮基聚合物、酯基聚合物、酰胺基聚合物、酰亞胺基聚合物及其組合中的至少一種質(zhì)子傳導性聚合物。在另一個實施例中，至少一種質(zhì)子傳導性聚合物可以包括選自聚全氟磺酸、聚全氟羧酸、四氟乙烯和含磺酸基的氟乙烯基醚的共聚物、脫氟聚醚酮硫醚、芳基酮、聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-雙苯并咪唑)、聚(2，5-苯并咪唑)及其組合中的聚合物。根據(jù)本發(fā)明，包含在用于燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜中的質(zhì)子傳導性聚合物不限于這些聚合物。
在一個實施方案中，氣體擴散層為布置在膜電極組件的催化劑上的炭紙或炭布，并且可以促進從組件外部供給的含氫的氣體和含氧的氣體的供應，從而促進三相界面的形成。
此外，另一個實施方案可以在催化劑層和氣體擴散層之間包括微孔層，該微孔層包含傳導性材料并由尺寸為幾μm到幾十μm的微孔構(gòu)成。在一個實施方案中，傳導性材料為選自石墨、碳納米管(CNT)、富勒烯、活性炭、Vulcan-X、科琴黑、碳納米纖維及其組合中的至少一種。
在一個實施方案中，為了改善膜電極組件的催化劑層與電解質(zhì)膜之間的接觸，及節(jié)約催化劑的用量，可以在根據(jù)本發(fā)明膜電極組件的聚合物電解質(zhì)膜上直接涂敷催化劑層。
當按照常規(guī)方法用催化劑層直接涂敷聚合物電解質(zhì)膜時，聚合物電解質(zhì)膜遭受溶脹，該溶脹太不平衡，而不能提供均勻的涂層。然而，根據(jù)本發(fā)明制備膜電極組件的方法，由于催化劑層涂敷在飽和的、冷凍的聚合物電解質(zhì)層上，所以可以提供具有均勻溶脹狀態(tài)的催化劑涂敷膜(以下稱為“CCM”)。
根據(jù)本發(fā)明的實施方案，制備用于燃料電池的膜電極組件的方法包括用水或硫酸水溶液飽和聚合物電解質(zhì)膜；在0℃或更低溫度下冷凍飽和的聚合物電解質(zhì)膜；在冷凍的聚合物電解質(zhì)層的兩個表面上直接噴涂催化劑層，制得催化劑涂敷膜(CCM)；冷壓CCM；及在CCM的兩個表面上布置氣體擴散層，并進行熱壓。
在一個實施方案中，聚合物電解質(zhì)膜包括質(zhì)子傳導性聚合物，該質(zhì)子傳導性聚合物可以選自全氟基聚合物、苯并咪唑基聚合物、酮基聚合物、酯基聚合物、酰胺基聚合物、酰亞胺基聚合物及其組合。在一個實施方案中，至少一種質(zhì)子傳導性聚合物可以包括選自聚全氟磺酸、聚全氟羧酸、四氟乙烯和含磺酸基的氟乙烯基醚的共聚物、脫氟聚醚酮硫醚、芳基酮、聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-雙苯并咪唑)、聚(2，5-苯并咪唑)及其組合中的聚合物。根據(jù)本發(fā)明，包含在用于燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜中的質(zhì)子傳導性聚合物不限于這些聚合物。
在一個實施方案中，為了防止直接涂敷在催化劑層上時可能產(chǎn)生的聚合物電解質(zhì)膜的溶脹，在冷凍之前聚合物電解質(zhì)膜用水或硫酸水溶液飽和，其中硫酸水溶液的濃度為2M或更低，優(yōu)選為0.5～1M。
在一個實施方案中，飽和的聚合物電解質(zhì)膜在0℃或更低溫度、優(yōu)選-200到0℃、更優(yōu)選-100℃到0℃、最優(yōu)選-20到-5℃下進行冷凍過程。盡管冷凍溫度越低越好，但是溫度低于-200℃時成本顯著增加。
在一個實施方案中，在冷凍的聚合物電解質(zhì)膜兩個表面上都形成催化劑層，從而制得CCM，該過程包括下列步驟將催化劑和質(zhì)子傳導性聚合物溶液引入到凝固點為0℃或更低的有機溶劑中，以分散催化劑；及噴涂形成催化劑層，其中催化劑分散溶液直接噴涂和涂敷到冷凍的聚合物電解質(zhì)膜的兩個表面上。
圖3是在冷凍的聚合物電解質(zhì)膜兩個表面上直接噴涂催化劑分散溶液過程的一個實施方案示意圖。如圖3所示，掩模31布置在聚合物電解質(zhì)膜11的兩個表面上，控制催化劑層的形狀和位置，并用固定裝置32如夾子等固定掩模31。從噴嘴33噴出的催化劑分散溶液34按照掩模形狀涂敷在聚合物電解質(zhì)膜11上。
毫無疑問，根據(jù)本發(fā)明制備膜電極組件的方法不限于圖3所示的過程。
在一個實施方案中，噴涂過程中的噴涂和涂敷步驟可以每次在聚合物電解質(zhì)膜的一個表面上進行，或者同時在兩個表面上進行，使其適于批量生產(chǎn)。
圖4是可用于批量生產(chǎn)的涂敷過程的一個實施方案示意圖。如圖4所示，催化劑涂敷過程包括在催化劑分散溶液噴嘴41的周圍設置突出部分42，以減少催化劑分散溶液43的浪費，并將幾個噴嘴41分配給聚合物電解質(zhì)膜11的每個表面，進行催化劑分散溶液43的噴涂過程。在另一個實施例中，如圖4所示的批量生產(chǎn)過程具有這樣的優(yōu)點，即通過優(yōu)化(advancing)聚合物電解質(zhì)膜，有可能連續(xù)進行催化劑涂敷過程和壓制過程。
根據(jù)本發(fā)明制備膜電極組件的方法不限于圖4所述的過程。
在一個實施方案中，噴涂過程的溫度為0℃或更低，優(yōu)選為-80℃到0℃，更優(yōu)選為-20℃到-5℃。如果噴涂過程在低于-80℃的溫度下進行，催化劑分散溶液會在噴嘴凍結(jié)。
在一個實施方案中，用于制備催化劑分散溶液的有機溶劑可以包括選自異丙醇、正丙醇、乙醇、甲醇及其組合中的至少一種。
在一個實施方案中，用于形成催化劑層的催化劑包括選自鉑、釕、鋨、鉑-X合金(其中X是選自Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ti、V、Cr、Mn、Ru、Os、Sn、W、Rh、Ir、Pd及其混合物中的至少一種金屬)及其組合中的至少一種金屬催化劑。在一個實施方案中，用于陰極的催化劑包括選自鉑、鉑-Y合金(其中Y是選自Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ti、Cr、Mn及其混合物中的至少一種金屬)及其組合中的至少一種金屬催化劑。在一個實施方案中，用于陽極的催化劑層包括選自鉑、鉑-Z合金(其中Z是選自Cr、Sn、W、Rh、Ir、Pd、Fe、Co及其混合物中的至少一種金屬)及其組合中的至少一種金屬催化劑。
在一個實施方案中，金屬催化劑可以由載體擔載，其中載體可以包括，但不限于碳顆粒如乙炔黑、石墨、Vulcan-X、科琴黑、碳納米管、碳納米纖維和碳納米線，及無機顆粒如氧化鋁和二氧化硅。
擔載的金屬催化劑商業(yè)上可以得到，或者通過利用一般公知的方法來擔載金屬催化劑而制得，在本文中省略其詳細描述。
在一個實施方案中，用于形成催化劑層的質(zhì)子傳導性聚合物溶液可以包括選自全氟基聚合物、苯并咪唑基聚合物、酮基聚合物、酯基聚合物、酰胺基聚合物、酰亞胺基聚合物及其組合的聚合物。在另一個實施方案中，至少一種質(zhì)子傳導性聚合物可以包括選自聚全氟磺酸、聚全氟羧酸、四氟乙烯和含磺酸基的氟乙烯基醚的共聚物、脫氟聚醚酮硫醚、芳基酮、聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-雙苯并咪唑)、聚(2，5-苯并咪唑)及其組合的聚合物。
在一個實施方案中，所制得的由催化劑層構(gòu)成的CCM進行冷壓過程，其中冷壓溫度為10到100℃，優(yōu)選為30到80℃。如果冷壓溫度低于10℃，CCM太硬而不能促進催化劑層和聚合物電解質(zhì)層之間的充分粘結(jié)。如果溫度高于100℃，由于凍結(jié)的水蒸發(fā)會導致GDL層或催化劑層的惡化。
在一個實施方案中，冷壓的CCM的催化劑層的厚度為10到60μm，優(yōu)選為10到50μm。
然后，根據(jù)實施方案，將制得的催化劑層與氣體擴散層接觸放置，或者如果氣體擴散層的表面具有微孔層，則將CCM的催化劑層與微孔層接觸放置；并熱壓，制備膜電極組件。
在一個實施方案中，氣體擴散層為炭紙或炭布，介于催化劑層和氣體擴散層之間的微孔層可以包括傳導性材料，并且可以由尺寸為幾μm到幾十μm的微孔構(gòu)成。在一個實施方案中，傳導性材料是選自石墨、碳納米管(CNT)、富勒烯、活性炭、Vulcan-X、科琴黑、碳納米纖維及其組合中的至少一種材料。
此外，在一個實施方案中，熱壓溫度為100到135℃，優(yōu)選為120到130℃。如果熱壓溫度低于100℃，不容易粘附。如果熱壓溫度高于135℃，可能使膜結(jié)構(gòu)倒坍。
在一個實施方案中，根據(jù)本發(fā)明制得的膜電極組件優(yōu)選具有60到100％式1所示的聚合物電解質(zhì)膜的溶脹度。
在一個實施方案中，膜電極組件用水或硫酸水溶液飽和，以溶脹聚合物電解質(zhì)膜中的微孔。如果冷凍飽和的聚合物電解質(zhì)膜，微孔會進一步溶脹。在一個實施方案中，所制備的溶脹聚合物電解質(zhì)膜直接由催化劑層構(gòu)成，壓制得到膜電極組件。從而，能夠使微孔維持在溶脹狀態(tài)下并保持足夠的水分。因此，本發(fā)明實施方案中的膜電極組件能夠在低增濕或非濕度環(huán)境下運行，并具有良好的質(zhì)子傳導性和良好的形成三相界面的作用。
圖5是根據(jù)本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)的一個實施方案的示意圖。如圖5所示，燃料電池系統(tǒng)包括a)發(fā)電部件52，該發(fā)電部件52包括i)用于燃料電池的膜電極組件10和ii)布置在膜電極組件兩個表面上的隔板51，b)燃料供應器53，及c)氧化劑供應器54。
在一個實施方案中，燃料電池系統(tǒng)可用于聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEMFC)、優(yōu)選直接氧化燃料電池(DOFC)、更優(yōu)選直接甲醇燃料電池(DMFC)中。在一個實施方案中，在聚合物燃料電池中還可以包括重整器，以由含氫的燃料產(chǎn)生氫氣。
下面的實施例進一步詳細說明本發(fā)明，但并不是對本發(fā)明范圍的限制。
實施例實施例1將聚全氟磺酸膜(DuPont的NAFIONTM)浸漬在水中完全飽和并在-10℃冷凍。
圖6是冷凍的聚全氟磺酸膜的照片。
此外，將1g炭載鉑催化劑(鉑量20％重量)和6g 5％的聚全氟磺酸溶液(DuPont的NAFIONTM)與2g 98％的異丙醇(IPA)混合，用超聲波攪拌器和磁力攪拌器攪拌，制備催化劑分散溶液。
在-25℃下，將制得的催化劑分散溶液噴涂在冷凍的聚全氟磺酸膜的兩個表面上，并在60℃下冷壓，制得厚度為15μm的催化劑層。
圖7是其表面噴涂有催化劑分散溶液的冷凍聚全氟磺酸膜的照片。
此外，在催化劑層的兩個外表面上層壓兩張由活性炭微孔層構(gòu)成的碳織物，并在130℃的溫度下熱壓，制備膜電極組件。
實施例2按照與實施例1相同的方法制備膜電極組件，所不同的是，將聚全氟磺酸膜(DuPont的NAFIONTM)浸漬在1M硫酸水溶液中。制得的膜電極組件包括厚度為15μm的催化劑層。
對比例1在兩張?zhí)伎椢锷戏謩e形成包含鉑催化劑的陽極層和陰極層，并層壓使其與聚全氟磺酸膜(DuPont的NAFIONTM)的兩個表面接觸，制備膜電極組件。制得的膜電極組件包括厚度為15μm的催化劑層。
在一個實施方案中，本發(fā)明的膜電極組件具有直接形成于冷凍的聚合物電解質(zhì)膜兩個表面上的催化劑層，使得催化劑層薄且均勻。因此，催化劑的利周率增加，所需催化劑的量減少。此外，在一個實施方案中，膜電極組件具有高的聚合物電解質(zhì)膜溶脹度，使得即使在低增濕或非增濕條件下運行時也保持大量的水。由于實施方案中的聚合物電解質(zhì)膜包括水或硫酸，所以該聚合物電解質(zhì)膜可用于低增濕或非增濕的燃料電池系統(tǒng)。聚合物電解質(zhì)膜與催化劑接觸良好，使電解質(zhì)膜-催化劑-氣體的三相界面容易形成。
盡管已經(jīng)參照幾個實施方案詳細描述了本發(fā)明，但是本領域的技術(shù)人員將會理解，其中可以進行各種修改和替換，而不脫離由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的膜電極組件，包括聚合物電解質(zhì)膜；直接噴涂到聚合物電解質(zhì)膜兩個表面上的催化劑層；及布置在催化劑層的兩個表面上的氣體擴散層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的膜電極組件，其中所述聚合物電解質(zhì)膜包括選自下列的質(zhì)子傳導性聚合物全氟基聚合物，苯并咪唑基聚合物，酮基聚合物，酯基聚合物，酰胺基聚合物，酰亞胺基聚合物，及其組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1用于燃料電池的膜電極組件，其中所述催化劑層包括至少一種選自鉑、釕、鋨、鉑-X合金及其組合中的金屬，其中X是選自Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ti、V、Cr、Mn、Ru、Os、Sn、W、Rh、Ir、Pd及其混合物中的至少一種金屬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1用于燃料電池的膜電極組件，其在催化劑層和氣體擴散層之間還包括微孔層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1用于燃料電池的膜電極組件，其中所述聚合物電解質(zhì)膜具有60～100％的溶脹度，該溶脹度由下式定義溶脹度(％)＝V1/V2×100式中V1表示聚合物電解質(zhì)膜中的微孔體積，V2是指完全飽和的聚合物電解質(zhì)膜中的微孔體積。
6.一種制備用于燃料電池的膜電極組件的方法，包括用水或硫酸水溶液飽和聚合物電解質(zhì)膜的兩個表面；在0℃或更低溫度下冷凍飽和的聚合物電解質(zhì)膜；在0℃或更低溫度下，在冷凍的聚合物電解質(zhì)層的兩個表面上直接噴涂催化劑層，得到催化劑涂敷膜(CCM)；冷壓CCM；及在CCM的兩個表面上布置氣體擴散層，并進行熱壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中該聚合物電解質(zhì)膜包括選自下列的質(zhì)子傳導性聚合物全氟基聚合物，苯并咪唑基聚合物，酮基聚合物，酯基聚合物，酰胺基聚合物，酰亞胺基聚合物，及其組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中該聚合物電解質(zhì)膜包括至少一種選自下列的質(zhì)子傳導性聚合物聚全氟磺酸，聚全氟羧酸，四氟乙烯和含磺酸基的氟乙烯基醚的共聚物，脫氟聚醚酮硫醚，芳基酮，聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-雙苯并咪唑)，聚(2，5-苯并咪唑)，及其組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述冷凍是在-200到0℃的溫度下進行的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述冷凍是在-20到-5℃的溫度下進行的。
11.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述催化劑層是在-80到0℃的溫度下形成的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述催化劑層是在-20到-5℃的溫度下形成的。
13.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述催化劑層包括選自鉑、釕、鋨、鉑-X合金及其組合中的至少一種金屬，其中X是選自Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ti、V、Cr、Mn、Ru、Os、Sn、W、Rh、Ir、Pd及其混合物中的至少一種金屬。
14.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述催化劑層形成如下用凝固點為0℃或更低的有機溶劑混合催化劑和質(zhì)子傳導性聚合物溶液，以分散催化劑，進而形成催化劑溶液；及噴涂該催化劑溶液，制得催化劑層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述有機溶劑選自異丙醇，正丙醇，乙醇，甲醇，及其組合。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述質(zhì)子傳導性聚合物溶液包含選自下列的質(zhì)子傳導性聚合物全氟基聚合物，苯并咪唑基聚合物，酮基聚合物，酯基聚合物，酰胺基聚合物，酰亞胺基聚合物，及其組合。
17.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述冷壓是在10到100℃的溫度下進行的。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述冷壓是在30到80℃的溫度下進行的。
19.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述熱壓是在100到135℃的溫度下進行的。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述熱壓是在120到130℃的溫度下進行的。
21.一種燃料電池系統(tǒng)，包括發(fā)電部件，該發(fā)電部件包括i)根據(jù)權(quán)利要求1～5中任一項的用于燃料電池的膜電極組件，及ii)布置在膜電極組件兩個表面上的隔板；燃料供應器；及氧化劑供應器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的膜電極組件及其制備方法，以及包括該膜電極組件的燃料電池系統(tǒng)。該膜電極組件包括聚合物電解質(zhì)膜，直接噴涂到聚合物電解質(zhì)膜兩個表面的催化劑層，及布置在催化劑層的兩個外表面的氣體擴散層。
文檔編號H01M8/10GK1913206SQ20061007944
公開日2007年2月14日 申請日期2006年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月7日
發(fā)明者閔明基, 尹海權(quán), 金占迪, 金惠雅, 權(quán)鎬真 申請人:三星Sdi株式會社