專利名稱：離子交換膜或流體擴散層靜電涂布催化劑層的方法與裝置的制作方法
背景技術：
本發明涉及在電化學燃料電池中使用的離子交換膜或流體擴散層靜電涂布催化劑層的方法與裝置。
相關領域的說明電化學燃料電池將燃料和氧化劑轉化成電和反應產物。固體聚合物電化學燃料電池通常使用膜電極組件(“MEA”)，其中離子交換膜形式的電解質置于兩個電極層之間。電極層是由多孔、導電的片材，例如碳纖維紙張或者碳布制造的流體擴散層。在典型的MEA中，流體擴散層為膜提供結構支持，其(流體擴散層)典型地薄且具有柔性。
MEA含有電催化劑，所述電催化劑典型地包括在每一膜/電極層的界面處，置于層內的精細粉碎的鉑粒，以誘導所需的電化學反應。電連接電極，以便通過外部負載在電極之間提供傳輸電子的路徑。
在燃料電池的操作過程中，在陽極處，燃料滲透多孔電極層，并在陽極的電催化劑層處反應，形成質子與電子。質子通過離子交換膜遷移到陰極。在陰極處，含有氧的氣體原料滲透多孔電極層并在陰極電催化劑層處與質子反應，形成水作為反應產物。
可通過在或者電極基底(即，流體擴散層)上或者在膜本身上以層形式施涂電催化劑，在聚合物電解質燃料電池內，在膜/電極層的界面處引入電催化劑。在前一情況下，電催化劑顆粒典型地與液體混合，形成料漿或油墨，然后將所述料漿或油墨施涂到電極基底上，形成流體擴散電極(FDE)。盡管料漿優選在一定程度上潤濕基底表面，但料漿可滲透到基底內，以便它不再催化有用。反應區通常僅僅鄰近離子交換膜。若涂布離子交換膜，則典型地可實現相對較低的催化劑負載。除了催化劑材料的浪費以外，較厚的電催化劑層也可導致增加的傳質損失。
制備催化劑涂布的膜(CCM)的方法也始于制備料漿。料漿典型地包括碳承載的催化劑、聚合物基體/粘合劑和合適的液體載體，例如水、甲醇或異丙醇。然后或者通過例如篩網印刷，將料漿直接施涂到膜上，或者將料漿施涂到隔板載體或剝離膜上，在干燥之后，隨后在印花釉法中，使用熱和壓力，將其轉移到膜上。然而，這兩種通用技術存在問題。例如，若將料漿直接施涂到膜上，則液體載體可引起膜在任何方向上溶脹達25％。盡管采用印花釉法一般看不到溶脹，但它相當緩慢且不容易批量生產。
除了前述潤濕沉積技術以外，還開發了在電極基底和膜上沉積干燥催化劑粉末的各種方法。這種干燥沉積方法包括例如，燃燒化學氣相沉積(CCVD)，例如Hunt等人在美國專利No.6403245中所述的方法，和靜電粉末沉積技術，例如Yasumoto等人在美國專利No.6455109中所述的方法。然而，這種干燥沉積技術是高度復雜的方法，且不容易適合于連續roll-to-roll加工且不容易維持均勻的負載。
因此，本領域仍需要用催化劑層涂布離子交換膜和流體擴散層的改進方法。本發明滿足這些需求并提供進一步相關的優點。
發明簡述簡而言之，本發明涉及在電化學燃料電池中使用的離子交換膜或流體擴散層靜電涂布催化劑層的方法與裝置。
在一個實施方案中，提供在電化學燃料電池中使用的離子交換膜或流體擴散層靜電涂布催化劑層的方法，該方法包括下述步驟(1)使催化劑料漿荷靜電以得到荷靜電的催化劑料漿，和(2)將荷靜電的料漿施涂到離子交換膜或流體擴散層的第一表面上，從而在第一表面上形成第一催化劑層。
在進一步的實施方案中，該方法包括下述額外步驟在使催化劑料漿荷靜電的步驟之前加熱催化劑料漿；在施涂荷靜電的催化劑料漿的步驟之前加熱離子交換膜或流體擴散層的第一表面；和/或緊跟著在施涂荷靜電的催化劑料漿的步驟之后干燥離子交換膜或流體擴散層的第一表面。在前述具體實施方案中，干燥第一表面的步驟包括加熱離子交換膜或流體擴散層。
在進一步的實施方案中，該方法包括下述額外步驟施涂荷靜電的催化劑料漿到第一表面上的第一催化劑層上，在第一表面上的第一催化劑層之上形成第二催化劑層。
在進一步的實施方案中，該方法包括下述額外步驟施涂荷靜電的催化劑料漿到離子交換膜或流體擴散層的第二表面上，在第二表面上形成第一催化劑層，其中第二表面在離子交換膜或流體擴散層的遠離第一表面的相對側上。
在一些實施方案中，催化劑料漿包括碳承載的金屬催化劑，例如粒度為約0.1微米-約50微米或者約0.1微米-約2.0微米或者約2微米-約10微米的鉑。
在更具體的實施方案中，離子交換膜或流體擴散層的第二表面與接地的金屬板相鄰，第二表面在離子交換膜或流體擴散層的遠離第一表面的相對側上。
在其它更具體的實施方案中，離子交換膜或流體擴散層的第二表面與襯里片材相鄰，第二表面在離子交換膜或流體擴散層的遠離第一表面的相對側上。
在再一更具體的實施方案中，在第一表面上噴涂荷靜電的催化劑料漿，且第一催化劑層的催化劑負載小于約0.8mg/cm2，小于約0.5mg/cm2，小于約0.1mg/cm2或者大于約0.015mg/cm2。
在閱讀附圖和下述詳細說明的基礎上，本發明的這些和其它方面將變得顯而易見。
附圖簡述
圖1是膜電極組件的截面視圖。
圖2圖示了根據本發明靜電涂布了催化劑層的離子交換膜或流體擴散層。
圖3是根據本發明的一個實施方案，涂布了催化劑層的離子交換膜的截面的掃描電子顯微圖像。
圖4是可商購的Gore 5510催化劑涂布的膜的截面的掃描電子顯微圖像。
發明詳述圖1是膜電極組件(MEA)(5)的截面視圖。MEA5包括置于陽極催化劑層12、陰極催化劑層14和流體分布層16之間的離子交換膜10。可以在膜10上涂布陽極和陰極催化劑層12、14，形成催化劑涂布的膜(CCM)，或者在流體分布層16上形成兩個流體擴散電極。
流體分布層16導電且可滲透流體。導電性便于電子從陽極通過外部負載流動到陰極。流體的滲透性便于分別從燃料和氧化劑物流中供應燃料和氧化劑分別給陽極和陰極催化劑層12、14，在此發生所需的電化學反應。流體分布層16典型地包括由諸如碳纖維紙張、織造或非織造碳纖維；金屬網或絲網或微孔聚合物膜組成的多孔、導電和流體可滲透的預成形片材。
在催化劑層12、14內的電催化劑可以是金屬黑、合金或承載的金屬基催化劑，例如承載在碳顆粒上的鉑。其它催化劑包括其它貴金屬或過渡金屬催化劑。催化劑層12、14也可包括有機粘合劑，例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚合物電解質粉末、添加劑和填料。由于與陰極相比，在燃料電池的操作過程中，在陽極處發生不同的催化反應，因此陽極催化劑層12和陰極催化劑層14典型地包括不同的催化劑組合物，例如不同的催化劑，不同量的催化劑和/或不同的粘合劑。
離子交換膜10可以是例如含有側掛的磺酸官能團和/或羧酸官能團的氟聚合物。烴基聚合物也是公知的。膜10的厚度通常為18-175微米，和典型地為25-125微米。代表性商業全氟磺酸/PTFE共聚物膜可以以商品牌號NAFION獲自于E.I.Du Pont de Nemours andCompany。
圖2圖示了根據本發明，離子交換膜或流體擴散層20(下文稱為基底20)靜電涂布催化劑層30的方法與裝置的一個實施方案。正如所示的，催化劑料漿35借助管道48的網絡通過循環閥門42和泵44從供應罐40供料到靜電噴射槍46中，其中所述催化劑料漿35包括(如上所述的)所需的電催化劑，和合適的液體載體(例如，水、甲醇、乙醇、異丙醇或其組合)。噴射槍46與功率裝置50電連接，并構造所述噴射槍46，以賦予在催化劑料漿35內的靜電催化劑顆粒(沒有具體地示出)負電荷，得到荷靜電的催化劑料漿37，然后將所述荷靜電的催化劑料漿37噴涂在基底20的第一表面22上，在其上形成第一催化劑層30。
除了給催化劑料漿35供應電荷以外，靜電噴射槍46還可霧化催化劑料漿35。在一些實施方案中，靜電噴射槍46也可使用空氣流輔助噴射催化劑料漿35到基底20的第一表面22上。代表性的商業靜電噴射槍是Aerobell 33(它使用直徑33mm的喇叭型旋轉霧化噴嘴)，和Turbodisk，這兩個靜電噴射槍均可獲自于ITW Ransberg。噴射槍46中的噴嘴47的旋轉速度直接影響催化劑粒度的微細程度且可以是高達60000rpm。正如圖1所示，安放噴射槍46，以便噴嘴47面向基底20的第一表面22。第一表面22和噴嘴47之間的距離取決于基底20的寬度和從靜電噴射槍46的噴射角度，且可由本領域的普通技術人員容易地確定。類似地，噴涂給定面積的基底20的時間段取決于傳質速度和目標負載，且也可由本領域的普通技術人員容易地變化。在施涂催化劑料漿35到基底20的第一表面22上中，可容許在第二表面24上的一些卷繞彎曲(wraparound)。
另外，尤其當在催化劑料漿35中使用含水溶劑時，可使用隔離(isolation)的體系(未示出)，以提供噴射槍46與接地催化劑料漿35的靜電隔離。可商購的隔離體系是獲自ITW Ransburg的AquaBlock隔離體系。
在可供替代的實施方案(未示出)中，可使用惰性氣體加壓的原料罐替代泵44。類似地，在另一可供替代的實施方案(未示出)中，噴射槍46可供應基本上所有的催化劑料漿35到基底20上，以便催化劑料漿35沒有循環通過管道48，因此不需要循環閥門42。
如上所述，催化劑料漿35包括所需的電催化劑和合適的液體載體(例如，水、甲醇或異丙醇)。在更具體的實施方案中，電催化劑是碳承載的金屬催化劑，例如粒度為約0.1微米-約50微米的鉑。當在作為基底20的離子交換膜上涂布時，可期望較小的粒度，例如約0.1微米-約2.0微米。較小的粒度可便于在較低的負載下施涂更均勻的催化劑層。這反過來可預期產生更好的粘合性和隨后更好的性能。另外，還預期能更好地控制較小的顆粒以實現所需的負載。然而，當在作為基底20的流體擴散層上涂布時，約2微米-約10微米的粒度可以是所需的。流體擴散層傾向于多孔且較大的顆粒傾向于降低滲透到多孔亞表面內的催化劑含量。這將暴露更多的金屬催化劑活性區域、得到相對于該負載程度的更好性能。
在再進一步的實施方案中，催化劑料漿35也可包括一種或更多種下述額外的組分粘合劑，例如聚四氟乙烯、Nafion粉末、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、甲基纖維素和類似物；表面活性劑，例如獲自BASF的IconolTMNP-10，獲自ISP的Surfynol，獲自3M的FluoradTMFC-170C；抗沉降劑，例如LuvotixTM；粘合促進劑，例如甲基丙烯酸甲酯樹脂、甲基丙烯酸乙酯樹脂、甲基丙烯酸丁酯樹脂和共聚物；交聯劑，例如有機鈦酸酯和有機鋯酸酯；Santel HR-97、DorescoTAW4-39、ResimeneAQ1616和AQ7550。前述額外的組分可用于促進荷靜電的催化劑料漿37和第一表面22之間的粘合，并充當分散劑、潤濕劑和/或表面張力和粘度降低劑。合適的固體含量可以是5％至30％和1至500cP的粘度。
在所例舉的實施方案中，荷靜電的催化劑料漿37以連續的方式施涂到第一表面22上，其中料漿37噴涂在卷到卷(reel to reel)構造的基底20的移動網幅(web)上。正如所示的，基底20在第一輥26中開始，并可儲存在第二輥28內，接著施涂催化劑層30。在施涂工藝過程中，噴嘴47可以是或者靜止的或者相對于第一表面22的暴露部分，適合于在特定的圖案內移動。本領域的技術人員要理解，在可供替代的實施方案中，可在擴散的工藝中施涂荷靜電的催化劑料漿37。例如，噴嘴47可相對于基底20的靜止片材，例如通用尺寸的片材(約665mm×375mm的尺寸)，適合于在特定的圖案內移動，于是涂布它。
在靜電噴涂中，存在許多變量，本領域的技術人員可改變這些變量以優化所得層。這些變量包括，但不限于原料的罐壓、電荷電壓、基底速度、喇叭口(bell)的旋轉速度、成型空氣壓力、喇叭口距基底之間的距離、料漿流變學(速度、固體含量等)和在基底20上涂料通過的次數。
進一步如圖2所示，在第一表面22和噴射槍46二者相對一側基底20上，基底20的第二表面24可與接地金屬板52相鄰，進一步促進荷靜電的催化劑料漿37粘合到第一表面22上。例如，在連續的卷到卷涂布工藝中，基底20可鄰近金屬板52通過，和在擴散的工藝中，可將一片基底20直接安裝在金屬板52上。當基底20是非傳導性離子交換膜時，金屬板52可具有特定的優勢。可在與第二表面24相鄰的卷到卷體系中使用共流動的緊密連接的金屬箔，而不是傳導性金屬箔52。金屬箔可循環并收集在另一輥上和再使用。金屬箔可以是例如，銅、鋁或不銹鋼，且可以是例如15-100微米厚。
由于聚合物膜固有的低表面能，因此，可能難以施涂涂層到一些聚合物膜上。氧化技術，例如電暈處理可用于增加基底的表面張力。除了或者替代這種氧化技術以外，使用粘合促進劑、高性能乳液和表面活性劑可將催化劑油墨粘結到聚合物膜上。在不束縛于理論的情況下，認為交聯機理或者除去界面層可有助于催化劑-聚合物的粘合。也可在催化劑料漿35本身內發生交聯，從而形成內聚粘結，改進膜的性能。也可使用電子束、紫外或可見光，固化交聯的粘合促進劑，在基底20上聚合材料的結合物。電子束是輻射能源，而UV或可見光的能源典型地為中壓汞燈，脈沖的氙燈或激光。也可使用傳導性粘合促進劑，且可使用非靜電噴涂技術，例如無空氣或者輔助的無空氣噴涂，例如以第一涂層形式施涂到離子交換膜上。這可改進活性的含催化劑的層的靜電涂布性且可降低或者甚至消除使用金屬板52的優勢。
可在第二表面24上使用襯里片材，例如Mylar襯里片材，在涂布過程中提供基底20額外的結構支持。襯里片材用的其它合適的聚合物包括例如，可結晶的乙烯基聚合物、縮合聚合物和氧化聚合物。代表性可結晶的乙烯基聚合物包括例如高和低密度的聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚丙烯酸酯、含氟的聚合物，例如聚偏氟乙烯和相應的共聚物。縮合聚合物包括例如聚酯、聚酰胺和聚砜。氧化聚合物包括例如聚苯醚和聚醚酮。當與作為基底20的離子交換膜一起使用時，使用這種襯里片材尤其是有利的。
在其它進一步的實施方案中，可在第一催化劑層30之上施涂荷靜電的催化劑料漿37的第二催化劑層(沒有具體地示出)。通過施涂多層催化劑層，可容易地改變催化劑的微結構，這可導致增加的性能。
在其中基底20是離子交換膜的其它進一步的實施方案中，在用催化劑層30涂布基底20的第一表面22之后，可對于基底20的其它側重復相同的工藝，在第二表面24上形成第一催化劑層。或者，可同時涂布基底20的兩側。
可使用加熱器54加熱催化劑料漿35，之后施涂到基底20上，以輔助粘合并且一旦施涂到基底20上，則促進干燥。加熱催化劑料漿35的優點還有降低粘度、改進稠度并減少催化劑料漿35和基底20之間的溫差。典型地，預熱催化劑料漿35到低于催化劑料漿35內所使用的溶劑體系的沸點。若使用水，則可預熱催化劑料漿35到高達95℃的溫度。另外，可以在施涂荷靜電的催化劑料漿37到第一表面22之前加熱基底20的第一表面22或在在施涂荷靜電的催化劑料漿37到第一表面22之后進行干燥，以促進催化劑料漿37對基底20的粘合。若預熱基底20，則可預熱第一表面22到高至離子交換膜的玻璃化轉變溫度的溫度，例如對于NAFION基膜來說，最多約150℃到約180℃。典型的干燥溫度范圍為80℃至200℃。本領域的技術人員要理解，若干燥速度太高，則催化劑層可能龜裂。可通過空氣移動和濕度來影響干燥。空氣移動典型地允許熱量轉移到基底上并將溶劑從表面上除去。快速除去溶劑可降低表面溫度，這可導致濕氣冷凝的問題。高濕度和冷卻膜的結合也可引起冷凝。用于干燥的合適的加熱器包括例如對流烘箱、紅外燈、微波或其結合，且可包括多個區段。
在進一步的實施方案中，可例如通過施加輕微的真空到遠離噴射槍46的基底20的相對例上，從而進一步改進催化劑層對基底20的粘合。“輕微”的真空可以是10至50mbar，和可來自于例如風扇的效果。
另外，如圖2所示，可使用過濾器56除去催化劑料漿35內的聚集體和污染物，這些聚集體和污染物與噴射槍46的噴嘴47不兼容。
已發現，可使用本發明的方法與裝置，用催化劑負載(即單位面積上的催化劑用量)小于0.8mg/cm2，通常小于0.05mg/cm2，和在一些實施方案中，小于約0.1mg/cm2的催化劑層涂布離子交換膜和流體擴散層。使用本發明的方法和裝置時，低至0.5mg/cm2，和甚至低至0.015mg/cm2的負載是可能的，目前典型的催化劑負載在大于1.0mg/cm2的水平可通過降低催化劑的負載水平來降低成本。此外，本發明的方法與裝置將實現大于約80％的材料轉移效率，這將減少浪費。
后施涂工藝可包括采用包埋技術，例如在夾送輥或壓縮輥上熱輔助的帶式粘結。
一個或多個靜電涂布組件也可容易地整合到常規的卷到卷連續網幅加工裝置內，其中包括例如涂布線或者雙帶式粘結壓機。可容易地實現最多10m/min的連續加工速度。
可用許多方式監控催化劑的負載水平。例如，X-射線熒光(XRF)高精度地且以通常非破壞的方式提供寬范圍的材料的元素分析。通過用高能X-射線束輻照并從存在于樣品內的那些元素中激發特征X-射線，從而操作XRF分光計。借助晶體和檢測器體系，對單獨的X-射線波長分類，并對每一元素累積特定的強度。然后可參考儲存的校正數據，建立單獨的各元素的化學濃度。或者，可根據催化劑料漿35內的催化劑濃度，并通過測定沉積的催化劑層的厚度來測定催化劑的負載水平。
包括下述實施例闡述本發明不同的實施方案和方面，但無論如何不應當解釋為限制。
實施例催化劑料漿的制備將50.9g HiSPEC 400碳承載的鉑催化劑粉末置于MorehouseCowles CM10-0混合器組件中。然后在320mbar下使催化劑粉末脫氣7分鐘，接著在80mbar下脫氣額外7分鐘。然后從混合器組件中取出催化劑粉末，并將717.8g去離子水放入該混合器組件內，并加熱到50±2℃。將約1/4的催化劑粉末放入加熱的水中，并在2000rpm下混合2.5分鐘。然后以1/4遞增的方式添加額外的催化劑粉末，接著混合，直到所有的催化劑粉末加入到該混合物中。然后施涂320mbar的真空到該混合物上，并在2000rpm下混合該混合物10分鐘。
然后將132.8g獲自DuPont的含水Nafion(11.3wt％固體)加入到該混合物中。然后力320mbar的真空到該混合物上，并在3000rpm下混合35分鐘，同時維持溫度在50±2℃。然后降低混合速度到1000rpm，并降低溫度到25℃，并混合該混合物25分鐘。
所得混合物的固體含量為7.3wt％。當希望6wt％的降低的固體含量時，將適量去離子水加入到該混合物中，并在室溫下在1000rpm下混合5分鐘。
試驗1施涂碳亞層到特氟隆化為6wt％碳紙的Toray TGP-60上，形成干重為24.3g的流體擴散層。然后，采用10psig的原料罐壓、277g/min的料漿流速，在85kV的電壓和60μA的電流下，將以上制備的催化劑料漿(7.3wt％)喂入到Aerobell 33噴射槍中。在35psig的成型空氣下，設定噴射槍的喇叭口速度(bell speed)為35000rpm。噴射槍離流體擴散層的距離為12英寸，且流體擴散層的傳輸帶速度設定為6.4ft/min。使流體擴散層單次通過靜電噴涂機，得到0.25mg/cm2的催化劑負載。
試驗2施涂碳亞層到特氟隆化為6wt％碳紙的Toray TGP-60上，形成干重為23.9g的流體擴散層。然后，采用10psig的原料罐壓、277g/min的料漿流速，在85kV的電壓和60μA的電流下，將以上制備的催化劑料漿(7.3wt％)喂入到Aerobell 33噴射槍中。在35psig的成型空氣下，設定噴射槍的喇叭口速度為35000rpm。噴射槍離流體擴散層的距離為12英寸，且流體擴散層的傳輸帶速度設定為15.4ft/min。使流體擴散層兩次通過靜電噴涂機，得到0.25mg/cm2的催化劑負載。
與試驗1中6.4ft/min相比，采用15.4ft/min的較快傳輸帶速度情況下，需要兩次通過以或低相同的催化劑負載。因此可認為每一次通過得到0.12-0.13mg/cm2的催化劑負載。
試驗3施涂碳亞層到特氟隆化為6wt％碳紙的Toray TGP-60上，形成干重為23.8g的流體擴散層。然后，采用10psig的原料罐壓、277g/min的料漿流速，在85kV的電壓和60μA的電流下，將以上制備的催化劑料漿(7.3wt％)喂入到Aerobell 33噴射槍中。在35psig的成型空氣下，設定噴射槍的喇叭口速度為35000rpm。噴射槍離流體擴散層的距離為12英寸，且流體擴散層的傳輸帶速度設定為15.4ft/min。使流體擴散層三次通過靜電噴涂機，得到0.34mg/cm2的催化劑負載。因此每一次通過噴涂機得到約0.11mg/cm2的負載。
試驗4施涂碳亞層到特氟隆化為6wt％碳紙的Toray TGP-60上，形成干重為24.4g的流體擴散層。然后，采用8.5-9.0psig的原料罐壓、175g/min的料漿流速，在85kV的電壓和60μA的電流下，將以上制備的催化劑料漿(7.3wt％)喂入到Aerobell 33噴射槍中。在35psig的成型空氣下，設定噴射槍的喇叭口速度為35000rpm。噴射槍離流體擴散層的距離為12英寸，且流體擴散層的傳輸帶速度設定為15.4ft/min。使流體擴散層三次通過靜電噴涂機，得到0.15mg/cm2的催化劑負載。因此每一次通過噴涂機得到約0.05mg/cm2的負載。
試驗5施涂碳亞層到獲自Ballard Material Products Inc.的AvcarbTMP50T上，形成干重為21.9g的流體擴散層。然后，采用10psig的原料罐壓、200g/min的料漿流速，在85kV的電壓和60μA的電流下，將以上制備的催化劑料漿(6wt％)喂入到Aerobell 33噴射槍中。在30psig的成型空氣下，設定噴射槍的喇叭口速度為35000rpm。噴射槍離流體擴散層的距離為12英寸，且流體擴散層的傳輸帶速度設定為15.4ft/min。使流體擴散層兩次通過靜電噴涂機，得到0.18mg/cm2的催化劑負載。因此每一次通過噴涂機得到約0.09mg/cm2的負載。
試驗6施涂碳亞層到獲自Ballard Material Products Inc.的AvcarbTMP50T上，形成干重為21.6g的流體擴散層。然后，采用8.5-9.0psig的原料罐壓、175g/min的料漿流速，在85kV的電壓和60μA的電流下，將以上制備的催化劑料漿(6wt％)喂入到Aerobell 33噴射槍中。在30psig的成型空氣下，設定噴射槍的喇叭口速度為35000rpm。噴射槍離流體擴散層的距離為12英寸，且流體擴散層的傳輸帶速度設定為15.4ft/min。使流體擴散層三次通過靜電噴涂機，得到0.10mg/cm2的催化劑負載。因此每一次通過噴涂機得到約0.03mg/cm2的負載。
試驗7獲自DuPont的干重為29.3g的Nafion112離子交換膜用作基底。然后，采用7.0-6.0psig的原料罐壓、158g/min的料漿流速，在85kV的電壓和60μA的電流下，將以上制備的催化劑料漿(6wt％)喂入到Aerobell 33噴射槍中。在30psig的成型空氣下，設定噴射槍的喇叭口速度為35000rpm。噴射槍離離子交換膜的距離為10英寸，且流體擴散層的傳輸帶速度設定為15.4ft/min。使離子交換膜在膜的第一側上單次通過靜電噴涂機和在膜的第二側上兩次通過。估計催化劑的負載在每一側上為0.06至0.10mg/cm2。在膜的第一側涂布的過程中，在膜上留下薄的聚合物襯里支持層。在膜的第二側的涂布過程中，離子交換膜的結構完整性受到犧牲。使用襯里支持的情況下觀察到顯著的改進。
試驗8獲自DuPont的Nafion112離子交換膜用作基底。然后，采用7.0-6.0psig的原料罐壓、158g/min的料漿流速，在85kV的電壓和60μA的電流下，將以上制備的催化劑料漿(6wt％)喂入到Aerobell 33噴射槍中。在30psig的成型空氣下，設定噴射槍的喇叭口速度為35000rpm。噴射槍離離子交換膜的距離為10英寸，且流體擴散層的傳輸帶速度設定為15.4ft/min。使離子交換膜在膜的一側上四次通過靜電噴涂機，得到0.25mg/cm2的催化劑負載。因此，每次通過噴涂機得到約0.06mg/cm2的催化劑負載。在膜的第一側涂布的過程中，在膜上留下薄的聚合物襯里支持層。然后拍攝涂布的離子交換膜的掃描電子顯微照片，并示于圖3中。
試驗9獲自DuPont的干重為23.2g的Nafion111離子交換膜用作基底。然后，采用6.0-6.5psig的原料罐壓、150g/min的料漿流速，在85kV的電壓和60μA的電流下，將以上制備的催化劑料漿(6wt％)喂入到Aerobell 33噴射槍中。在30psig的成型空氣下，設定噴射槍的喇叭口速度為35000rpm以涂布膜的第一側，和采用20psig的成型空氣涂布膜的第二側。噴射槍離離子交換膜的距離為10英寸，且流體擴散層的傳輸帶速度設定為15.4ft/min。使離子交換膜在膜的每一側上單次通過靜電噴涂機，在每一側上得到0.07mg/cm2的催化劑負載。因此，每次通過噴涂機得到約0.017mg/cm2的催化劑負載。
試驗10獲自DuPont的干重為26.64g的Nafion115離子交換膜用作基底。然后，采用6.0-6.5psig的原料罐壓、150g/min的料漿流速，在85kV的電壓和60μA的電流下，將以上制備的催化劑料漿(6wt％)喂入到Aerobell 33噴射槍中。在30psig的成型空氣下，設定噴射槍的喇叭口速度為35000rpm以涂布膜的第一側，和采用20psig的成型空氣涂布膜的第二側。噴射槍離離子交換膜的距離為10英寸，且流體擴散層的傳輸帶速度設定為11ft/min。使離子交換膜在膜的每一側上單次通過靜電噴涂機，在每一側上得到0.06mg/cm2的催化劑負載。因此，每次通過噴涂機得到約0.015mg/cm2的催化劑負載。
試驗1-10中所有的基底處于室溫下且沒有預熱。
與商業CCM的比較圖4是獲自Gore的系列5510催化劑涂布的膜的掃描電子顯微照片。離子交換膜的厚度為25微米且在兩側上用催化劑層涂布。相比之下，試驗8的離子交換膜是用催化劑層在一側上涂布的厚度為50微米的膜。肉眼觀察在不同膜上的催化劑層清楚地表明，圖3的催化劑層顯著較薄且含有較少的裂紋。
盡管為了闡述的目的，示出并描述了本發明的特定步驟、元素、實施方案和應用，但當然要理解，本發明不限于這些，因為本領域的技術人員鑒于前述教導，可進行改性且沒有脫離本發明的精神與范圍。因此，本發明不受其限制，本發明的范圍通過所附權利要求來確定。
權利要求
1.在電化學燃料電池中使用的離子交換膜或流體擴散層上涂布催化劑層的方法，該方法包括下述步驟使催化劑料漿荷靜電以得到荷靜電的催化劑料漿，和將荷靜電的料漿施涂到離子交換膜或流體擴散層的第一表面上，在第一表面上形成第一催化劑層。
2.權利要求1的方法，進一步包括下述步驟在使催化劑料漿荷靜電的步驟之前，加熱催化劑料漿。
3.權利要求1的方法，進一步包括下述步驟在施涂荷靜電的催化劑料漿的步驟之前，加熱離子交換膜或流體擴散層的第一表面。
4.權利要求1的方法，進一步包括下述步驟在施涂荷靜電的催化劑料漿的步驟之后，干燥離子交換膜或流體擴散層的第一表面。
5.權利要求4的方法，其中干燥第一表面的步驟包括加熱離子交換膜或流體擴散層。
6.權利要求1的方法，進一步包括下述步驟將荷靜電的催化劑料漿施涂到第一表面上的第一催化劑層上，在第一表面上的第一催化劑層之上形成第二催化劑層。
7.權利要求1的方法，進一步包括下述步驟將荷靜電的催化劑料漿施涂到離子交換膜或流體擴散層的第二表面上，在第二表面上形成第一催化劑層，其中第二表面在離子交換膜或流體擴散層的遠離第一表面的相對側上。
8.權利要求1的方法，其中催化劑料漿包括碳承載的金屬催化劑。
9.權利要求8的方法，其中金屬是鉑。
10.權利要求8的方法，其中金屬催化劑的粒度為約0.1微米-約50微米。
11.權利要求10的方法，其中金屬催化劑的粒度為約0.1微米-約2.0微米。
12.權利要求10的方法，其中金屬催化劑的粒度為約2微米-約10微米。
13.權利要求1的方法，其中離子交換膜或流體擴散層的第二表面與接地的金屬板相鄰，第二表面在離子交換膜或流體擴散層的遠離第一表面的相對側上。
14.權利要求13的方法，其中當離子交換膜或流體擴散層相對于金屬板移動時，接地的金屬板保持靜止。
15.權利要求1的方法，其中離子交換膜或流體擴散層的第二表面與襯里片材相鄰，第二表面在離子交換膜或流體擴散層的遠離第一表面的相對側上。
16.權利要求1的方法，其中在第一表面上噴涂荷靜電的催化劑料漿。
17.權利要求1的方法，其中第一催化劑層的催化劑負載小于約0.8mg/cm2。
18.權利要求17的方法，其中第一催化劑層的催化劑負載小于約0.5mg/cm2。
19.權利要求18的方法，其中第一催化劑層的催化劑負載小于約0.1mg/cm2。
20.權利要求1的方法，其中第一催化劑層的催化劑負載小于約0.015mg/cm2。
21.權利要求1的方法，其中在第一表面上連續施涂荷靜電的催化劑料漿。
全文摘要
公開了在電化學燃料電池中使用的用催化劑層涂布離子交換膜或流體擴散層的方法和裝置，該方法包括下述步驟使催化劑料漿荷靜電，得到荷靜電的催化劑料漿，和施涂荷靜電的料漿到離子交換膜或流體擴散層的第一表面上，在第一表面上形成第一催化劑層。
文檔編號H01M8/10GK101036253SQ200580033463
公開日2007年9月12日 申請日期2005年9月2日 優先權日2004年9月2日
發明者P·D·科扎克 申請人:百拉得動力系統公司