(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201780082861.0
(22)申请日 2017.12.22
(85)PCT国际申请进入国家阶段日
2019.07.09
(86)PCT国际申请的申请数据
PCT/US2017/068252 2017.12.22
(87)PCT国际申请的公布数据
WO2019/125490 EN 2019.06.27
(71)申请人 W.L.戈尔及同仁股份有限公司
地址 美国特拉华州
(72)发明人 M ·埃德蒙森 F ·C ·布斯比
(74)专利代理机构 上海专利商标事务所有限公
司 31100
代理人 江磊 蔡文清
(51)Int.Cl.H01M 4/86(2006.01)H01M 8/106(2006.01)H01M 4/88(2006.01)H01M 8/1018(2006.01)H01M 8/1058(2006.01)
(54)发明名称
含C5-C10醇或羧酸的催化剂油墨以及膜电
(57)摘要
本文描述了用于制备燃料电池部件的方法
基材，
并在基材上形成电极或将电极附着至基材上，其中，所述形成包括：沉积含有水、水不溶性 油墨。水不溶性组分包括：水不溶性C5-C10醇、
C5-C10水不溶性羧酸或它们的组合。使用该水不
溶性组分获得稳定液体介质，其使得干燥时的网
状率减少，基材的溶解减少，并且基材孔的渗透
减少。权利要求书3页 说明书12页 附图2页CN 110521039 A 2019.11.29
C N 110521039
A
1.一种制造燃料电池部件的方法，所述方法包括：
提供基材；以及机壳
在基材上形成电极，其中，所述形成包括：沉积含有水、水不溶性组分、催化剂和离聚物的水性混合物，所述水不溶性组分包括水不溶性醇、水不溶性羧酸或它们的组合。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述基材包括多孔层、非多孔层或它们的组合；并且其中所述水不溶性组分包括C5-C10醇、C5-C10羧酸或它们的组合。
3.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括将多孔层、非多孔层或它们的组合，层压至电极和基材中的至少一个。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在沉积步骤中，水性混合物具有单一相。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，水性混合物网状率低。
6.如权利要求1所述的方法，其中，形成电极还包括：使所述水性混合物干燥。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基材包括在与电极相反的基材一侧上的另一电极。
8.如权利要求1-6中任一项所述的方法，所述方法还包括：在与电极相反的基材一侧上形成另一电极。
9.如权利要求9所述的方法，其中，另一电极的形成包括：使所述水性混合物沉积在基材上。
10.如权利要求7所述的方法，其中，另一电极的形成还包括：使所述水性混合物干燥。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括：将电极层压至聚合物电解质膜。
12.如权利要求1-10中任一项所述的方法，所述方法还包括：在电极上形成聚合物电解质膜。
13.一种制造燃料电池部件的方法，所述方法包括：
在聚合物电解质膜上形成第一电极，其中，所述形成包括：在聚合物电解质膜上沉积水性混合物，所述水性混合物包含水、水不溶性组分、催化剂和离聚物，所述水不溶性组分包括水不溶性醇、水不溶性羧酸或它们的组合；以及
在所述聚合物电解质膜上形成或附着第二电极。
14.一种制造燃料电池部件的方法，所述方法包括：
在气体扩散层上形成第一电极，其中，所述形成包括：在气体扩散层上沉积水性混合物，并且，所述水性混合物包含水、水不溶性组分、催化剂和离聚物，所述水不溶性组分包括水不溶性醇、水不溶性羧酸或它们的组合；
在第一电极上形成或附着聚合物电解质膜；以及
在所述聚合物电解质膜上形成或附着第二电极。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述基材包括多孔层。
16.如权利要求15所述的方法，其中，多孔层是透气的或者包括气体扩散层。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述多孔层包括多孔剥离层。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述多孔剥离层包含膨胀的聚合物。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述膨胀的聚合物包括膨胀聚四氟乙烯。
20.如权利要求14所述的方法，其中，所述基材包括非多孔层。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述非多孔层包括非多孔剥离层。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述非多孔层包括聚合物电解质膜。
23.如权利要求11、12、14或22所述的方法，其中，所述聚合物电解质膜包含质子导电聚合物。
24.如权利要求11、12、14或22所述的方法，其中，所述聚合物电解质膜包括多孔微结构和掺杂在多孔微结构中的离聚物。
25.如权利要求24所述的方法，其中，所述多孔微结构包括全氟化的多孔聚合材料。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述全氟化的多孔聚合材料包括膨胀的聚四氟乙烯膜。
27.如权利要求24所述的方法，其中，所述多孔微结构包括烃材料。
28.如权利要求27所述的方法，其中，烃材料包括聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯。
29.如权利要求24所述的方法，其中，所述离聚物是质子导电聚合物。
30.如权利要求23或29所述的方法，其中，所述质子导电聚合物包括全氟磺酸。
31.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，所述水性混合物中的水量为大于35重量％，任选地大于50重量％，任选地大于70重量％，任选地大于80重量％，或者任选地大于90重量％。
32.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述催化剂包括贵金属、过渡金属、或它们的合金。
33.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述催化剂是负载催化剂。
34.如权利要求33所述的方法，其中，所述负载催化剂包含碳。
35.如权利要求32-34中任一项所述的方法，其中，基于水性混合物的总重量，所述水性混合物中的催化剂量为小于90重量％，任选地小于35重量％，任选地小于9重量％。
36.如权利要求3-35中任一项所述的方法，其中，所述水不溶性组分包括C5-C10醇。机器人拉车
37.如权利要求36所述的方法，其中，水不溶性组分包括：1-戊醇，1-己醇，1，1-癸醇或它们的组合。
38.如权利要求3-37中任一项所述的方法，其中，所述水不溶性组分包括C5-C10羧酸。
39.如权利要求38所述的方法，其中，所述水不溶性组分包括：正戊酸、正己酸、正壬酸或它们的组合。
军用床声音设备40.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，所述水性混合物中水不溶性组分的量为小于20重量％，任选地小于15重量％，任选地小于10重量％，任选地小于8重量％，任选地小于6重量％，或者任选地小于4重量％。
41.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述离聚物是全氟磺酸。
42.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，所述水性混合物中离聚物的量为小于50重量％，任选地小于35重量％，任选地小于8重量％，或者任选地小于0.5重量％。
43.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述水性混合物还包含水溶性化合物。
44.如权利要求43所述的方法，其中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，所述
水性混合物中水溶性化合物的量为小于50重量％，任选地小于25重量％，任选地小于9重量％，或者任选地小于4重量％。
45.如权利要求43或44所述的方法，其中，所述水溶性化合物是水溶性醇或二醇醚。
46.如权利要求43所述的方法，其中，所述水溶性化合物是水溶性醇，并且所述水溶性醇包括异丙醇或叔丁醇。
47.如权利要求43所述的方法，其中，所述水溶性化合物包括二醇醚，并且所述二醇醚包括二丙二醇或丙二醇甲醚。
48.一种用于形成燃料电池电极的水性混合物组合物，所述组合物包含：
a)水；
b)水不溶性组分，所述水不溶性组分包括：水不溶性醇、水不溶性羧酸或它们的组合；
c)催化剂；以及
d)离聚物。
49.如权利要求48所述的组合物，其中，所述催化剂包括贵金属、过渡金属、或它们的合金。
50.如权利要求48所述的组合物，其中，所述催化剂是负载催化剂。
51.如权利要求50所述的组合物，其中，所述负载催化剂包含碳。
打棉机
52.如权利要求48-51中任一项所述的组合物，其中，基于水性混合物的总重量，所述水性混合物中催化剂的量为小于90重量％，任选地小于35重量％，任选地小于9重量％。
53.如权利要求48-52中任一项所述的组合物，其中，所述水不溶性组分包括：C5-C10醇、C5-C10羧酸或它们的组合。
54.如权利要求48-53中任一项所述的组合物，其中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，所述水性混合物中水不溶性组分的量为小于20重量％，任选地小于15重量％，任选地小于10重量％，任选地小于8重量％，任选地小于6重量％，或者任选地小于4重量％。
55.如权利要求48-54中任一项所述的组合物，其中，所述离聚物是全氟磺酸。
56.如权利要求48-55中任一项所述的组合物，其中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，所述水性混合物中离聚物的量为小于50重量％，任选地小于35重量％，任选地小于8重量％，或者任选地小于0.5重量％。
57.如权利要求48-56中任一项所述的组合物，其中，所述组合物还包含水溶性化合物。
58.如权利要求57所述的组合物，其中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，所述水性混合物中水溶性化合物的量为小于50重量％，任选地小于25重量％，任选地小于9重量％，或者任选地小于4重量％。
59.如权利要求57或58所述的组合物，其中，所述水溶性化合物是水溶性醇。
60.如权利要求59所述的组合物，其中，所述水溶性醇包括异丙醇、叔丁醇或二醇醚。
61.如权利要求60所述的组合物，其中，所述水溶性化合物包括二醇醚，并且所述二醇醚包括二丙二醇(DPG)或丙二醇甲醚(PGME)。
含C5-C10醇或羧酸的催化剂油墨以及膜电极组件制造方法
[0001]政府权利
[0002]本发明在美国政府部门授予的合同下完成。美国政府部门的名称是能源部(金领域办公室(Golden Field Office))，并且美国政府的合同号码为DE -FC36-08GO18052。技术领域
[0003]本公开涉及一种用于聚合物电解质膜(PEM)燃料电池的膜电极组件，并且具体涉及一种制造用于膜电极组件的部件的方法，所述方法包括：在基材上沉积水性混合物以形成电极或微孔结构，所述水性混合物包含水不溶性组分、催化剂和离聚物。
背景技术
[0004]膜电极组件(MEA)是聚合物电解质膜(PEM)燃料电池的核心部件。其包含在一侧上具有阳极电极并且在另一侧上具有阴极电极的PEM。最终的MEA可以是三层组件，包括：阳极层、PEM层和阴极层。此外，MEA还可以包括气体扩散层(GDL)，气体扩散层通常包括碳纸，并且附着至各电极的外表面。如果GDL附着至两个电极，则最终的MEA被认为是包括第一GDL 层、阳极层、PEM层、阴极层和另一GDL层的五层组件。通常，PEM和GDL具有作为自支撑网的足够机械完整性，但是电极没有。因此，各电极通常形成在基材上，其可以是PEM、GDL、或剥离层。随后，MEA层视需要通过热量或压力结合在一起以形成复合板。
[0005]已建立了各种技术用于在基材上形成电极和/或将电极结合到MEA的其它层；但是，每种技术都存在问题。通常，将电极涂覆在剥离层上，然后层压至PEM。然而，该方法效率低且成本高。最近，通过将电极直接涂覆至PEM上对该方法进行了改进。然而，将电极直接涂覆至PEM上可能导致PEM变形或溶解，当使用较薄的PEM时，这可能尤其会产生问题。或者，可以直接将电极涂覆在多孔基材如GDL上。然而，该方法可导致将离聚物和催化剂吸入基材的孔中，改变基材的性质和/或使得部分催化剂无效。因此，需要改进的以有效且成本低廉的方式制造膜电极组件部件的方法。
[0006]发明概述
静压实验[0007]在一个实施方式中，本公开涉及一种制造燃料电池部件的方法，所述方法包括：提供基材；并在基材上形成电极；其中，所述形成包括：沉积含有水、水不溶性组分、催化剂和离聚物的水性混合物，其中，所述水不溶性组分包括水不溶性醇、水不溶性羧酸或它们的组合。在一些实施方式中，所述水不溶性组分包括：C 5-C 10醇、C 5-C 10羧酸或它们的组合。在一些实施方式中，所述基材包括多孔层、非多孔层或它们的组合。
[0008]在另一个实施方式中，本公开涉及一种制造燃料电池部件的方法，所述方法包括：在聚合物电解质膜上形成第一电极，其中，所述形成包括将水性混合物沉积在聚合物电解质膜上，其中所述水性混合物含有水、水不溶性组分、催化剂和离聚物，其中，所述水不溶性组分包括水不溶性醇或水不溶性羧酸；以及在聚合物电解质膜上形成第二电极。
[0009]在另一个实施方式中，本公开涉及一种制造燃料电池部件的方法，所述方法包括：在气体扩散层上形成第一电极，其中，所述形成包括将水性混合物沉积在气体扩散层上，并
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