【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一種制造催化劑涂布的離子導電膜的方法。特別地，本專利技術涉及一種制造用于電化學裝置諸如燃料電池或電解槽的催化劑涂布的離子導電膜的方法。本專利技術還涉及制造膜密封組件和膜電極組件的相關聯方法。
技術介紹
1、燃料電池是包括被電解質隔開的兩個電極的電化學電池。燃料(諸如氫氣或醇(諸如甲醇或乙醇))被供應給陽極，并且氧化劑(諸如氧氣或空氣)被供應給陰極。電化學反應在電極處發生，并且燃料和氧化劑的化學能被轉換成電能和熱量。電催化劑用于促進陽極處燃料的電化學氧化和陰極處氧氣的電化學還原。
2、在以氫氣為燃料或以醇為燃料的質子交換膜燃料電池(pemfc)中，電解質是固體聚合物膜，它是電絕緣的且質子導電的。在陽極處產生的質子跨膜傳輸到陰極，在陰極處，質子與氧結合形成水。最廣泛使用的醇燃料是甲醇，并且pemfc的這種變體通常被稱為直接甲醇燃料電池(dmfc)。
3、pemfc的主要部件被稱為膜電極組件(mea)，并且基本上由五層構成。中間層為聚合物離子導電膜。在離子導電膜的任一側上存在電催化劑層，該電催化劑層包含設計用于特定電催化反應的電催化劑。電催化劑層是導電的。最后，鄰近每個電催化劑層存在氣體擴散層。氣體擴散層必須允許反應物到達電催化劑層并且必須傳導由電化學反應產生的電流。因此，氣體擴散層必須為多孔的且導電的。
4、常規地，mea可通過下文概述的多種方法構造：
5、(i)可將電催化劑層施加到氣體擴散層以形成氣體擴散電極。可將兩個氣體擴散電極置于離子導電膜的任一側并且層合在一起以形
6、(ii)可將電催化劑層施加到離子導電膜的兩個面以形成催化劑涂布的離子導電膜。隨后，將氣體擴散層施加到催化劑涂布的離子導電膜的兩個面。
7、(iii)mea可由在一側上涂布有電催化劑層的離子導電膜、鄰近該電催化劑層的氣體擴散層以及在離子導電膜的另一側上的氣體擴散電極形成。
8、已知的構造方法通常需要將離子導電膜加熱至高于其玻璃化轉變溫度(tg)，這會導致產品中出現缺陷。希望開發出一種可在制造期間減少缺陷發生率的有效方法。
9、此類mea還應用于其他電化學裝置，諸如電解槽。可使用電解槽在堿性和酸性兩種電解質系統中進行水的電解以產生高純度的氫和氧。酸性電解系統通常采用固體質子導電聚合物電解膜，并且被稱為聚合物電解質膜水電解槽(pemwe)。pemwe的電池內采用催化劑涂布的離子導電膜，其包括(離子導電)聚合物電解質膜，該聚合物電解質膜的任一面上施加有兩個催化劑層(分別用于陽極反應和陰極反應)。為了完成電解池，將通常為金屬網的集電器定位在催化劑涂布的離子導電膜的任一側。用于電解槽的mea可使用與上述用于燃料電池的那些類似的工藝來制造，并且易于出現相同問題。
技術實現思路
1、為了促進電化學裝置諸如燃料電池和電解槽的商業化，希望提高催化劑涂布的離子導電膜的制造速度。這將提高催化劑涂布的離子導電膜或膜電極組件的制造速率，并且提高制造能力和裝置產量。
2、還希望開發出一種改進催化劑層與離子導電膜之間的界面的方法。
3、在本專利技術的至少一些實施方案中，本專利技術試圖解決上述問題、期望和需求中的至少一些。例如，本專利技術提供了一種制造在催化劑層與離子導電膜之間具有改進的界面的催化劑涂布的離子導電膜的方法。
4、根據本專利技術的第一方面，提供了一種制造催化劑涂布的離子導電膜的方法，該方法包括以下步驟：
5、(a)在背襯層上提供催化劑層，其中該催化劑層包括孔；
6、(b)將潤濕溶液施加到該催化劑層，其中該潤濕溶液浸漬該催化劑層的該孔中的至少一些孔，以便形成潤濕的催化劑表面；
7、(c)將第一分散體沉積到該潤濕的催化劑表面上以在該潤濕的催化劑表面上形成第一分散體層，其中該第一分散體包含離子導電聚合物；以及
8、(d)在步驟(c)之后干燥該第一分散體層和該潤濕的催化劑表面。
9、在沉積第一分散體之前潤濕催化劑層可令人驚訝地在層干燥時改進催化劑層與離子導電膜之間的界面。不希望受任何特定理論或臆測的束縛，據信潤濕催化劑層基本上防止第一分散體浸漬催化劑層的孔。因此，催化劑層中的離子導電聚合物的濃度基本上保持相同。另外，抑制了催化劑層中的催化劑與第一分散體中的離子導電聚合物之間的不希望的反應，并且減少了不希望的副產物(例如，氣泡)的形成。這可使制造過程更可靠，減少缺陷產品。
10、根據第二方面，提供了一種制造膜密封組件的方法，該方法包括以下步驟：
11、提供使用根據第一方面所述的方法制造的催化劑涂布的離子導電膜，該催化劑涂布的離子導電膜包括第一面和第二面；以及
12、將密封材料施加到該催化劑涂布的離子導電膜的該第一面和/或該第二面。
13、根據第三方面，本專利技術提供了一種制造膜電極組件的方法，該方法包括以下步驟：
14、提供使用根據第一方面所述的方法制造的催化劑涂布的離子導電膜，該催化劑涂布的離子導電膜包括第一面和第二面；以及
15、將氣體擴散層施加到該催化劑涂布的離子導電膜的該第一面和/或該第二面上。
16、根據第四方面，本專利技術提供了一種制造膜電極組件的方法，該方法包括以下步驟：
17、提供根據第二方面所述的方法制造的膜密封組件，該膜密封組件包括第一面和第二面；以及
18、將氣體擴散層施加到該膜密封組件的該第一面和/或該第二面上。
19、根據第五方面，提供了一種催化劑涂布的離子導電膜，該催化劑涂布的離子導電膜能夠使用根據第一方面所述的方法獲得。
20、雖然上面已經描述了本專利技術，但是本專利技術擴展到在上面或在下面的描述、附圖或權利要求中闡述的特征的任何專利技術性組合。例如，關于本專利技術的一個方面公開的任何特征可與本專利技術的另一個方面的任何特征組合。
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1.一種制造催化劑涂覆的離子導電膜的方法，所述方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述潤濕溶液浸漬所述催化劑層的所述孔中的至少70％，優選至少80％，并且更優選至少90％。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述潤濕溶液浸漬所述催化劑層的所有孔。
4.根據任一前述權利要求所述的方法，其中所述潤濕溶液在所述催化劑層的頂部上形成潤濕溶液層，并且所述方法還包括以下步驟：在沉積所述第一分散體的所述步驟之前，在將所述潤濕溶液保留在所述孔內的同時至少部分地去除所述潤濕溶液層。
5.根據任一前述權利要求所述的方法，其中所述潤濕溶液包含水、除水以外的極性溶劑或它們的混合物。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述潤濕溶液是：水和甲醇；水和乙醇；水和丙-1-醇；水和異丙醇；乙醇、丙-1-醇或異丙醇。
7.根據權利要求5或6所述的方法，其中基于所述潤濕溶液的總重量，所述潤濕溶液以>70重量％、優選75重量％-90重量％、或更優選80重量％-85重量％范圍內的量包含除水以外的所述極性溶劑。
8.
9.根據任一前述權利要求所述的方法，其中所述第一分散體具有包含水、除水以外的極性溶劑或它們的混合物的連續相。
10.根據權利要求9所述的方法，其中基于所述第一分散體的所述連續相的所述總重量，所述連續相以<90重量％、優選10重量％-85重量％或更優選20重量％-80重量％范圍內的量包含除水以外的所述極性溶劑。
11.根據任一前述權利要求所述的方法，所述方法還包括以下步驟：
12.根據任一前述權利要求所述的方法，所述方法還包括以下步驟：
13.根據任一前述權利要求所述的方法，其中步驟(a)包括以下子步驟：將催化劑分散體沉積到所述背襯層上；以及
14.根據任一前述權利要求所述的方法，所述方法還包括以下步驟：在步驟(d)之后從所述催化劑層去除所述背襯層。
15.一種制造膜密封組件的方法，所述方法包括以下步驟：
16.一種制造膜電極組件的方法，所述方法包括以下步驟：
17.一種制造膜電極組件的方法，所述方法包括以下步驟：
18.一種催化劑涂覆的離子導電膜，所述催化劑涂覆的離子導電膜能夠使用根據權利要求1至14中任一項所述的方法獲得。
...【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】
1.一種制造催化劑涂覆的離子導電膜的方法，所述方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述潤濕溶液浸漬所述催化劑層的所述孔中的至少70％，優選至少80％，并且更優選至少90％。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述潤濕溶液浸漬所述催化劑層的所有孔。
4.根據任一前述權利要求所述的方法，其中所述潤濕溶液在所述催化劑層的頂部上形成潤濕溶液層，并且所述方法還包括以下步驟：在沉積所述第一分散體的所述步驟之前，在將所述潤濕溶液保留在所述孔內的同時至少部分地去除所述潤濕溶液層。
5.根據任一前述權利要求所述的方法，其中所述潤濕溶液包含水、除水以外的極性溶劑或它們的混合物。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述潤濕溶液是：水和甲醇；水和乙醇；水和丙-1-醇；水和異丙醇；乙醇、丙-1-醇或異丙醇。
7.根據權利要求5或6所述的方法，其中基于所述潤濕溶液的總重量，所述潤濕溶液以>70重量％、優選75重量％-90重量％、或更優選80重量％-85重量％范圍內的量包含除水以外的所述極性溶劑。
8.根據任一前述權利要求所述的方法，其中所述潤濕溶液所具有的對所述催化劑層的潤濕程度高于所述第一分散體...
【專利技術屬性】
技術研發人員：J·庫爾，A·迪金森，J·奧沙利文，
申請(專利權)人：莊信萬豐氫能科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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