基于納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的電極油墨的制備的制作方法

專利名稱：基于納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的電極油墨的制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來(lái)講涉及用于燃料電池的電極，特別涉及基于納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的 電極油墨，及制備這種電極油墨的方法。
背景技術(shù)：
電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池，通常稱作燃料電池，通過(guò)處理反應(yīng)物(例如通過(guò)氫和氧的氧化 還原)產(chǎn)生電能。典型的聚合物電解質(zhì)燃料電池包括在兩側(cè)上都具有催化劑層的聚合物膜 (例如質(zhì)子交換膜(PEM))。該涂覆有催化劑的PEM位于一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)層之間，陰極板 和陽(yáng)極板位于該氣體擴(kuò)散介質(zhì)層的外部。將所述部件壓縮以形成該燃料電池。目前廣泛使用的燃料電池電催化劑是負(fù)載在碳載體上的鉬納米顆粒。根據(jù)催化劑 和負(fù)載量，用該碳負(fù)載的鉬催化劑制備的電極正常情況下具有從幾微米到約10或20微米 的厚度，孔隙率從30%到80%變化。這些碳負(fù)載催化劑的一個(gè)缺點(diǎn)是在某些燃料電池操作 條件下碳具有差的防腐蝕性，這導(dǎo)致快速的性能退化。該催化劑層能夠由納米結(jié)構(gòu)化薄載體材料制成。該納米結(jié)構(gòu)化薄載體材料之 上具有催化劑的顆?；虮∧?。該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層能夠使用公知方法制備。美國(guó)專 利號(hào) 4，812，352,4, 940，854,5, 039，561,5, 175，030,5, 238，729,5, 336，558,5, 338，430、 5，674，592、5，879，827、5，879，828、6，482，763、6，770，337 和 7，419，741 和美國(guó)公 開(kāi)號(hào) 2007/0059452、2007/0059573、2007/0082256、2007/0082814、2008/0020261、 2008/0020923,2008/0143061和2008/0145712中描述了用于制備納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的 方法的一種實(shí)例，此處通過(guò)引用結(jié)合進(jìn)來(lái)。基本方法包括將材料沉積在基底(例如聚酰亞 胺)上，以及將該經(jīng)沉積的材料退火以形成納米結(jié)構(gòu)化載體元件(稱作晶須)的層。能夠 用于制備該納米結(jié)構(gòu)化載體元件的材料的一種實(shí)例是“茈紅”(N，N’ - 二(3，5_ 二甲苯基) 茈-3，4，9，10雙(二羧酰亞胺))(可以商品名稱“C. I. PIGMENT RED 149”商購(gòu)自American Hoechst Corp. of Somerset,N. J.)。然后將催化劑材料沉積在納米結(jié)構(gòu)化載體元件的表面 上以形成納米結(jié)構(gòu)化薄膜(NSTF)催化劑層，其可獲自3M。
能夠使用例如熱壓層壓工藝將該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層直接轉(zhuǎn)移到質(zhì)子交換膜，例 如DuPont Nafion 膜。然后將該聚酰亞胺基底剝落，保留晶須層附著到該膜上。這些類型的納米結(jié)構(gòu)化薄催化層已經(jīng)證明具有高催化活性，其有助于降低燃料電 池堆中的鉬用量。最重要的是，因?yàn)樵撦d體層并不是如用于燃料電池應(yīng)用的傳統(tǒng)鉬催化劑 中那樣由碳制成的，因此該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層在某些燃料電池操作條件下更具防腐蝕 性，因此改進(jìn)了該燃料電池的耐久性。然而，在完成該退火工藝之后，在該聚酰亞胺基底的表面處保留殘余的未結(jié)晶茈 紅的薄層。因此，當(dāng)將晶須轉(zhuǎn)移到該P(yáng)EM中并將該聚酰亞胺基底剝落時(shí)，過(guò)去與該聚酰亞胺 基底相鄰的晶須的表面暴露出來(lái)并成為該膜電極組件(MEA)的表面。因此，原來(lái)與該聚酰 亞胺基底相鄰的該殘余的未結(jié)晶茈紅背層暴露出來(lái)。這能夠不利于該燃料電池的操作，因 為其能夠堵塞水和氣體進(jìn)入和離開(kāi)該電極。此外，為提供良好的性能，由這種類型的晶須催化劑層制備的MEA具有窄的操作 條件范圍(即其不能過(guò)干或過(guò)濕)。如果該燃料電池在濕條件下操作，厚度小于Iym的晶 須薄層不能為該產(chǎn)物水提供足夠的儲(chǔ)存容量，導(dǎo)致溢流。在干條件下，相信由于差的質(zhì)子轉(zhuǎn) 移特征因而沒(méi)有使用所有部分的晶須以催化該反應(yīng)。除上述NSTF晶須催化劑之外，還有另外的在基底上制備的均勻分散的 (或以所需圖案分散的)納米結(jié)構(gòu)化催化材料。例如，排列碳納米管、排列碳納米 纖維或納米顆粒等都能夠生長(zhǎng)在硅或另外基底上。然后將催化材料沉積在該納 米結(jié)構(gòu)化材料上。例如在 Hatanaka 等，PEFCElectrodes Based on Vertically Oriented Carbon Nanotubes, 210th ECSMeeting, Abstract #549 (2006) ；Sun 等， Ultrafine Platinum NanoparticlesUniformly Dispersed on Arrayed CNx Nanotubes with High ElectrochemicalActivity, Chem. Mater. 2005,17,3749-3753 ； Warren 等，OrderedMesoporous Materials from Metal Nanoparticle-Block CopolymerSelf-Assembly, Science Vol. 320，1748-1752 (6 月 27,2008)中描述了結(jié)合這種 材料的電催化劑貼膜。因此，存在對(duì)加工和構(gòu)造能夠提供良好性能的包含催化劑材料的電極的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了從其承載基底采集納米結(jié)構(gòu)化薄催化劑并將其加入到用于進(jìn)一步 制備電極的油墨中的方法。將納米結(jié)構(gòu)化薄催化層從承載基底轉(zhuǎn)移到涂覆有粘合劑的轉(zhuǎn)移 基底。通過(guò)溶解該粘合劑將該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件從該轉(zhuǎn)移基底中除去并分散在該電極 油墨中。該電極油墨能夠涂覆在基底(包括但不局限于電極貼膜、質(zhì)子交換膜或擴(kuò)散介質(zhì)) 上。然后能夠?qū)⑦@些經(jīng)涂覆的結(jié)構(gòu)用于MEA中。一個(gè)方面包括包含納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的電極油墨的制備方法。該方法包括 提供包括在其上具有納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的承載基底的電催化劑貼膜(electrocatalyst decal)，該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層包括納米結(jié)構(gòu)化的催化劑元件；提供在其上具有粘合劑 的轉(zhuǎn)移基底(transfersubstrate)；將該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層從該承載基底(carrying substrate)轉(zhuǎn)移到該轉(zhuǎn)移基底；從該轉(zhuǎn)移基底上除去該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件；提供電極 油墨溶劑；和將該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件分散在該電極油墨溶劑中。
另一方面包括電極油墨和用于將納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件分散在該電極油墨中的 方法。該電極油墨包括溶劑和分散在該電極油墨溶劑中的納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件和任選的 另外顆粒，該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件是由從承載基底轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移基底的納米結(jié)構(gòu)化薄催化 層獲得的。另一方面包括經(jīng)涂覆的基底。該經(jīng)涂覆的基底包括選自電極貼膜、質(zhì)子交換膜或 擴(kuò)散介質(zhì)的基底；涂覆在該基底上的電極油墨，該電極油墨包括分散在電極油墨溶劑中的 納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件，該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件是由從承載基底轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移基底的納米 結(jié)構(gòu)化薄催化層獲得的；和任選的，至少一種選自以下的另外材料離聚物；電導(dǎo)性顆粒， 例如碳粉末、碳纖維；催化劑；二氧化鈦；二氧化硅；納米纖維或納米管。另一方面涉及膜電極組件。該膜電極組件包括具有第一和第二側(cè)的質(zhì)子交換膜； 在該質(zhì)子交換膜的相對(duì)側(cè)上的一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)，該氣體擴(kuò)散介質(zhì)具有第一和第二側(cè)，該 第一側(cè)朝向該質(zhì)子交換膜；在該質(zhì)子交換膜和該一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)之間的一對(duì)電極層，至 少一個(gè)該電極層是通過(guò)將電極油墨涂覆在該質(zhì)子交換膜上或者該一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)的第 一側(cè)上而形成的，該電極油墨包括分散在電極油墨溶劑中的納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件，該納 米結(jié)構(gòu)化催化劑元件是由從承載基底轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移基底的納米結(jié)構(gòu)化薄催化層獲得的；和任 選的至少一種選自以下的另外材料離聚物；電導(dǎo)性顆粒，例如碳粉末、碳纖維；催化劑；二 氧化鈦；二氧化硅；納米纖維或納米管。本發(fā)明進(jìn)一步體現(xiàn)在如下方面1、包含納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的電極油墨的制備方法，包括提供包括在其上具有納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的承載基底的電催化劑貼膜，所述納米 結(jié)構(gòu)化薄催化層包括納米結(jié)構(gòu)化的催化劑元件；提供在其上具有粘合劑的轉(zhuǎn)移基底；將所述納米結(jié)構(gòu)化薄催化層從所述承載基底轉(zhuǎn)移到所述轉(zhuǎn)移基底；從所述轉(zhuǎn)移基底上除去所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件；提供電極油墨溶劑；和將所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件分散在所述電極油墨溶劑中。2、方面1的方法，進(jìn)一步包括清洗和分散所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件。3、方面2的方法，其中在將所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件從所述轉(zhuǎn)移基底上除去之 前清洗所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件。4、方面2的方法，其中在將所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件從所述轉(zhuǎn)移基底上除去之 后清洗所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件。5、方面2的方法，其中清洗所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件包括使用過(guò)濾、離心、干燥 和重新分散或其組合使用溶劑洗滌所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件。6、方面2的方法，其中清洗所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件包括對(duì)所述納米結(jié)構(gòu)化催 化劑元件進(jìn)行超聲處理。7、方面1的方法，其中使用選自超聲處理、球磨、介質(zhì)研磨、機(jī)械研磨或其組合的 工藝將所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件分散在所述電極油墨溶劑中。8、方面1的方法，其中將所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件分散在所述電極油墨溶劑中 包括
將所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件預(yù)分散在第一電極油墨溶劑中；將至少一種選自離聚物、碳粉末、碳纖維、或催化劑、二氧化鈦、二氧化硅、納米纖 維或納米管的另外材料預(yù)分散在第二電極油墨溶劑中；將所述預(yù)分散的納米結(jié)構(gòu)化元件和所述預(yù)分散的至少一種另外材料摻混在一起 以形成所述電極油墨。9、方面8的方法，其中使用超聲處理、球磨、介質(zhì)研磨、機(jī)械研磨或其組合將所述 納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件預(yù)分散在所述第一電極油墨溶劑中。10、方面8的方法，其中使用球磨、介質(zhì)研磨、行星研磨、超聲處理、攪拌或其組合 將所述至少一種另外材料預(yù)分散在所述第二電極油墨溶劑中。11、方面1的方法，其中將至少一種選自離聚物、電導(dǎo)性顆粒、碳粉末、碳纖維、催 化劑、二氧化鈦、二氧化硅、納米纖維或納米管的另外材料與所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件一 起分散在所述電極油墨溶劑中。12、方面1的方法，其中所述粘合劑層包括水溶性粘合劑。13、方面1的方法，其進(jìn)一步包括將包含所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的所述電極 油墨涂覆在選自質(zhì)子交換膜、擴(kuò)散介質(zhì)或電極貼膜的基底上。14、方面1的方法，其中將所述納米結(jié)構(gòu)化薄催化層從所述承載基底轉(zhuǎn)移到所述 轉(zhuǎn)移基底包括將所述納米結(jié)構(gòu)化薄催化層與所述粘合劑相鄰粘合以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)；和從所述復(fù)合結(jié)構(gòu)中除去所述承載基底。15、方面14的方法，其中使用熱壓靜壓、層壓、咬合輥軋或壓延或其組合將所述納 米結(jié)構(gòu)化薄催化層與所述粘合劑相鄰粘合。16、電極油墨，包括電極油墨溶劑；分散在所述電極油墨溶劑中的納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件，所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元 件是從由承載基底轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移基底的納米結(jié)構(gòu)化薄催化層獲得的；和任選的，至少一種選自離聚物、電導(dǎo)性顆粒、碳粉末、碳纖維、催化劑、二氧化鈦、二 氧化硅、納米纖維或納米管的另外材料。17、方面16的電極油墨，其中所述電極油墨溶劑包括水、異丙醇、乙醇、水/異丙 醇、水/乙醇或其組合。18、經(jīng)涂覆的基底，包括選自電極貼膜、質(zhì)子交換膜或擴(kuò)散介質(zhì)的基底；和涂覆在所述基底上的電極油墨，所述電極油墨包括分散在電極油墨溶劑中的納米 結(jié)構(gòu)化催化劑元件，所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件是由從承載基底轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移基底的納米結(jié) 構(gòu)化薄催化層獲得的，和，任選的，至少一種選自以下的另外材料離聚物；電導(dǎo)性顆粒、碳 粉末、碳纖維、催化劑、二氧化鈦、二氧化硅、納米纖維或納米管。19、方面18的經(jīng)涂覆的基底，其中所述電極油墨進(jìn)一步包括離聚物、碳粉末、碳纖 維、催化劑、二氧化鈦、二氧化硅、納米纖維或納米管中的至少一種。20、膜電極組件，包括質(zhì)子交換膜；
在所述質(zhì)子交換膜的相對(duì)側(cè)上的一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)，所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)具有第一 和第二側(cè)，所述第一側(cè)朝向所述質(zhì)子交換膜；和在所述質(zhì)子交換膜和所述一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)之間的一對(duì)電極層，至少一個(gè)所述電 極層是通過(guò)將電極油墨涂覆在所述質(zhì)子交換膜上或者所述一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)的第一側(cè)上 而形成的，所述電極油墨包括分散在電極油墨溶劑中的納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件，和任選的 至少一種選自離聚物、電導(dǎo)性顆粒、碳粉末、碳纖維、催化劑、二氧化鈦、二氧化硅、納米纖維 或納米管的另外材料，其中所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件是由從承載基底轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移基底的 納米結(jié)構(gòu)化薄催化層獲得的?？紤]到此處的本發(fā)明的具體說(shuō)明，本發(fā)明的另外特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見(jiàn)。


在結(jié)合以下附圖閱讀時(shí)，本發(fā)明的特別實(shí)施方案的以下詳細(xì)描述能夠得到最好的 理解，其中類似的結(jié)構(gòu)用類似的附圖標(biāo)記指示，其中該附圖的各種部件不必按比例示出，以 及其中圖IA-D是將納米結(jié)構(gòu)化薄催化層電極貼膜從承載基底轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移基底的一般方 法的圖示；圖2A-B是圖IC的在多孔轉(zhuǎn)移基底上的經(jīng)轉(zhuǎn)移的納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的SEM橫截 面圖像；圖3A-B是圖IC的在無(wú)孔轉(zhuǎn)移基底上的經(jīng)轉(zhuǎn)移的納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的SEM橫截 面圖像；圖4A是在從轉(zhuǎn)移基底中除去之后的NSTF納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的顯微照片，圖 4B是顯示該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的粒度分布的圖表；圖5A是在超聲處理1分鐘之后的NSTF納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的顯微照片，圖5B 是顯示在超聲處理1分鐘之后納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的粒度分布的圖表；圖6A是在超聲處理5分鐘之后的NSTF納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的顯微照片，圖6B 是顯示在超聲處理5分鐘之后納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的粒度分布的圖表；圖7A-B是顯示質(zhì)子交換膜和用包含納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的電極油墨制備的相 鄰電極的MEA的SEM橫截面圖像；圖8是顯示具有在如圖7中所示的電極中的納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的膜電極組件 的燃料電池性能的圖像。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了包含來(lái)自納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的電極油 墨的制備方法。將納米結(jié)構(gòu)化薄催化層從承載基底轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移基底。將其從該轉(zhuǎn)移基底上除去并 然后分散在電極油墨中。在從轉(zhuǎn)移基底上除去之前或之后能夠清洗納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件。清洗能夠包括 用適合的溶劑除去粘合劑和/或殘余層，或通過(guò)離心和超聲處理催化劑元件、過(guò)濾或干燥 和重新分散。
如果需要，能夠在電極油墨中添加另外的材料(例如用于提高該水儲(chǔ)存容量，用 于提高在干或濕條件下的燃料電池性能；或用于提高電導(dǎo)性)。該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件 能夠在添加到電極油墨中之前單獨(dú)分散或與該電極油墨中的其他材料同時(shí)分散。將該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層從承載基底轉(zhuǎn)移到涂覆有粘合劑的轉(zhuǎn)移基底。如果需 要，該轉(zhuǎn)移基底能夠是多孔或無(wú)孔的。如果該轉(zhuǎn)移基底是多孔的，那么如果需要，能夠在該多孔轉(zhuǎn)移基底上對(duì)該納米結(jié) 構(gòu)化薄催化層進(jìn)行進(jìn)一步處理。能夠除去粘合劑，也能夠去除任何殘余的材料(例如用于制 備晶須的未結(jié)晶茈紅，或用于制備碳納米管的催化劑，等)。2009年5月14日提交的名稱為 "ElectrodeContaining Nanostructured Thin Catalytic Layers And Method Of Making"
的美國(guó)序列號(hào)12/465，913、提交日期為_(kāi)的名稱為“Fabrication OfCatalyst
Coated Diffusion Media Layers Containing Nanostructured ThinCatalytic
Layers”(代理機(jī)構(gòu)檔案號(hào)P008907-FCA_CHE)的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)_、和提交日
SJ^j_^^J "Fabrication OfElectrodes With Multiple Nanostructured
Thin Catalytic Layers” (代理機(jī)構(gòu)檔案號(hào)P008908-FCA_CHE)的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)
_中描述了這些工藝，通過(guò)引用將其結(jié)合進(jìn)來(lái)?？商娲兀绻枰?，能夠
首先將該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件從該轉(zhuǎn)移基底上除去，然后進(jìn)行進(jìn)一步的處理。如果使用無(wú)孔轉(zhuǎn)移基底，那么能夠?qū)⒓{米結(jié)構(gòu)化催化劑元件從該轉(zhuǎn)移基底上除 去，然后進(jìn)一步處理以除去該粘合劑和/或殘余層。然后將納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件分散在電極油墨中。有幾種方式分散納米結(jié)構(gòu)化 催化劑元件。一種方法將會(huì)是通過(guò)溶解粘合劑將納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件與轉(zhuǎn)移基底分開(kāi)， 然后通過(guò)離心、過(guò)濾、超聲處理、干燥和再分散等中的一種或多種清洗催化劑元件。在該清 洗步驟之后，納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件將會(huì)與各種任選的油墨組分一起分散在電極油墨溶劑 中，該任選的油墨組分包括但不局限于離聚物、碳和其他顆粒，使用例如球磨、介質(zhì)研磨、 攪拌、行星磨等技術(shù)將其摻混在一起。適合的電極油墨溶劑包括但不局限于水、異丙醇 (PVA)、乙醇、水/IPA、水/乙醇等。然后將該電極油墨涂覆在該P(yáng)EM或氣體擴(kuò)散介質(zhì)上以形 成電極組件。另一種方法會(huì)是使用上述方法中的一種將納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件預(yù)分散在溶劑 中。適合的溶劑如上所列。也將其他組分(例如碳或傳統(tǒng)的Pt/c催化劑粉末)單獨(dú)預(yù)分 散在電極溶劑(其能夠與用于該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的相同或不同)中。然后會(huì)將這兩 種分散體摻混在一起以形成該電極油墨。該方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于這兩種油墨能夠使用不同的 分散方法，能夠在將其摻混在一起以形成最終的油墨之前，在溶劑選擇、油墨流變能力和粒 度分布方面對(duì)各油墨單獨(dú)控制和特征化。這能夠在電極涂覆質(zhì)量方面產(chǎn)生潛在的改進(jìn)，并 改善最終電極的性能和耐久性。電極油墨典型地包含離聚物、有機(jī)溶劑(例如異丙醇、乙醇等)和電催化劑。將各 種成分以預(yù)定義的濃度組合，或者如上所討論地單獨(dú)預(yù)分散并隨后使用工具(例如球磨、 超聲處理等)研磨/摻混在一起。在該電極油墨中可以加入另外的材料以提高該電極性能堅(jiān)固性。如果需要，能夠 在該電極油墨中添加離子傳導(dǎo)組分。如果需要，能夠在該電極油墨中添加疏水顆粒，例如 PTFE，以提高該電極的水管理容量。如果需要，也能夠在該電極油墨中添加石墨化或無(wú)定形的碳粉末或纖維、其他耐久顆?；蚱渌姶呋瘎?例如負(fù)載在碳上的Pt)，以提高該電極的 水存儲(chǔ)容量。用這種電極油墨制備的電極在更寬的操作條件范圍上提供了良好的性能，并 利用了納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的高催化活性和在某些燃料電池操作條件下的防腐蝕性。將該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層從承載基底轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移基底。該承載基底能夠是該納米 結(jié)構(gòu)化薄催化層在其上生長(zhǎng)或承載在其上的基底。用臨時(shí)粘合劑的薄層對(duì)將要將該納米結(jié) 構(gòu)化薄催化層轉(zhuǎn)移到其上的該轉(zhuǎn)移基底進(jìn)行預(yù)處理。這樣，在該轉(zhuǎn)移基底上的催化劑負(fù)載 量(mg/cm2)與在其上形成該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的該承載基底上基本相同。由于將該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層從承載基底轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移基底上，納米結(jié)構(gòu)化薄催化 層與該承載基底相比倒置在該轉(zhuǎn)移基底上。換言之，在該轉(zhuǎn)移之后，過(guò)去在承載基底上暴露 的該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的表面與該轉(zhuǎn)移基底相鄰，而過(guò)去與該承載基底相鄰的表面暴露 出來(lái)。過(guò)去與該承載基底相鄰的表面能夠包含用于形成納米結(jié)構(gòu)化催化劑載體元件的殘余 材料(例如殘余的未結(jié)晶茈紅，或用于生長(zhǎng)碳納米纖維或碳納米管的催化劑，等)，能夠通 過(guò)隨后的處理將其清除掉。我們用“相鄰”表示緊鄰，但并不必直接緊鄰。能夠有一個(gè)或多個(gè)插入層，如下所 述。該殘余層典型地是用于形成納米結(jié)構(gòu)化催化劑載體元件的剩余材料。例如，當(dāng)該 納米結(jié)構(gòu)化薄催化層是由茈紅制成的晶須層時(shí)，殘余層是未結(jié)晶茈紅。對(duì)于其它納米結(jié)構(gòu) 化薄催化層，該殘余層將會(huì)不同。例如，其可以是用于生長(zhǎng)碳納米纖維或碳納米管的Fe或 Ni催化劑。為了簡(jiǎn)化以下說(shuō)明中的討論，選擇在聚酰亞胺承載基底上的由茈紅制備的納米結(jié) 構(gòu)化薄催化層作為具體實(shí)施例。但在其它材料組的情況下，該承載基底將會(huì)與該聚酰亞胺 不同(例如硅)，納米結(jié)構(gòu)化承載元件也可能與該茈紅不同(例如碳納米管)。圖IA-D描述了在將納米結(jié)構(gòu)化薄催化層從承載基底轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移基底中包括的一 般步驟。圖IA顯示了涂覆有粘合劑層110的轉(zhuǎn)移基底105。該轉(zhuǎn)移基底105能夠是任意硬 的或軟的基底。如果該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層是在光滑的基底上制備的，那么能夠使用較硬 的基底作為轉(zhuǎn)移基底。如果在轉(zhuǎn)移基底上涂覆臨時(shí)粘合劑的厚層且該粘合劑層的厚度厚于 該承載基底的粗糙度特征(例如波紋)，那么也能夠使用硬的基底。例如，如果該承載基底 具有在該波紋狀結(jié)構(gòu)的最高和最低點(diǎn)之間為6微米的表面特征(例如波紋)，那么該粘合劑 層的厚度應(yīng)當(dāng)大于6微米。轉(zhuǎn)移基底能夠是多孔或無(wú)孔的。如果使用多孔轉(zhuǎn)移基底，孔用作該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的進(jìn)一步清潔中所用的廢 產(chǎn)物的排出通道，同時(shí)保持該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層在該多孔基底上。如果納米結(jié)構(gòu)化薄催 化層不是在光滑的基底上制備的，那么軟的多孔基底能夠容納該承載基底的表面粗糙度。 適合類型的多孔基底包括但不局限于多孔聚乙烯(PE)、多孔聚丙烯(PPE)、多孔聚酯、多 孔尼龍、多孔聚酰亞胺(PI)、膨脹聚四氟乙烯(ePTFE)和多孔硅氧烷。一種適合的多孔基底是膨脹聚四氟乙烯(ePTFE)。ePTFE是軟的，這允許其從電催 化劑貼膜(納米結(jié)構(gòu)化薄催化層在其上生長(zhǎng))的波紋的頂部和底部接受納米結(jié)構(gòu)化薄催化 層。在使用溶解在親水溶液中的粘合劑時(shí)，ePTFE具有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)閑PTFE是疏水性 的，因此在從PVA水溶液涂覆粘合劑時(shí)，僅在該ePTFE的表面上形成該粘合劑(例如聚乙烯醇(PVA))的薄膜，該P(yáng)VA將不充滿該ePTFE基底的孔。也能夠使用無(wú)孔基底。在這種情況下，典型地，在進(jìn)一步清洗之前將該納米結(jié)構(gòu)化 薄催化劑層從轉(zhuǎn)移基底上除去。根據(jù)該特定的納米結(jié)構(gòu)化材料，能夠使用廉價(jià)的可容易獲 得的商品聚合物作為該轉(zhuǎn)移基底，這將使該工藝在高容量制備過(guò)程中是非常成本有效的。 適合的無(wú)孔基底的實(shí)例包括但不局限于PET、PEN、ΡΡ、ΡΕ、PS和PC。如果需要，該轉(zhuǎn)移基底能夠重復(fù)使用，使該工藝更成本有效。該臨時(shí)粘合劑層110將該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層和該多孔基底粘合在一起，從而允 許從其承載基底上除去該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層。能夠使用任意適合的粘合劑。適宜地，該粘 合劑是可容易除去的，而且不使該催化劑中毒。水溶性的粘合劑是合意的，因?yàn)槠淠軌蛴盟?容易地除去，水是燃料電池操作過(guò)程中的反應(yīng)產(chǎn)物。然而，如果需要，能夠使用其它溶劑除 去該粘合劑。適合的粘合劑包括但不局限于聚乙烯醇(PVA)、聚環(huán)氧乙烷、聚丙烯酸酯、聚 乙烯乙酸乙烯酯和可溶性纖維素。一種適合的粘合劑是水溶性PVA，例如具有約10000的分 子量(麗)的水溶性PVA。通常，PVA層的負(fù)載量為約0. lmg/cm2 約IOmg/cm2，或約0. 5mg/ cm2 約 2mg/cm2。轉(zhuǎn)移基底能夠是疏水性的或親水性的。優(yōu)選地，當(dāng)多孔轉(zhuǎn)移基底是疏水性的時(shí)，施 加可溶于水溶液或親水性溶液的粘合劑，或者反之亦然。這樣允許僅在該多孔轉(zhuǎn)移基底的 表面上形成該粘合劑的薄膜。這樣，最初孔不被該粘合劑填充。如圖IB中所示，提供了電催化劑貼膜。該電催化劑貼膜包括在其上具有納米結(jié)構(gòu) 化薄催化層125的承載基底115。在一些情況下，可以有用于在該承載基底115和該納米結(jié) 構(gòu)化薄催化層125之間形成納米結(jié)構(gòu)化催化劑載體元件的材料的殘余層120。納米結(jié)構(gòu)化 薄催化層具有與該承載基底相鄰的第一表面122和暴露的第二表面128。適合的包括由茈紅在聚酰亞胺基底上制備的晶須的電催化劑貼膜(稱作NSTF 催化劑層)可獲自3M。也能夠使用其它具有納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的電催化劑貼膜。納 米結(jié)構(gòu)化催化材料均勻分散在該基底上或以所需圖案分散。例如，能夠使用具有均勻分 散的催化劑的排列碳納米管、排列碳納米纖維或納米顆粒等。例如在Hatanaka等，PEFC ElectrodesBased on Vertically Oriented Carbon Nanotubes,210th ECS Meeting, Abstract #549(2006) ；Sun等，Ultrafine Platinum Nanoparticles UniformlyDispersed on Arrayed CNx Nanotubes with High Electrochemical Activity,Chem. Mater. 2005,17, 3749-3753 ；Warren 等，Ordered MesoporousMaterials from Metal Nanoparticle-Block Copolymer Self-Assembly, Science Vol. 320，1748-1752 (6 月 27，2008)中描述了結(jié)合這 種材料的電催化劑貼膜。該承載基底上的該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層倒置，該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層125的第二 表面128與該粘合劑層110接觸以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。適合的工藝包括但不局限于熱壓靜壓 或用于連續(xù)輥制備、層壓、咬合輥軋或壓延。然后除去該承載基底115(例如通過(guò)剝落該承 載基底)。如圖IC中所示，在除去該承載基底之后，該殘余層120 (如果存在)保留在該納 米結(jié)構(gòu)化催化層125上。當(dāng)使用多孔轉(zhuǎn)移基底時(shí)，然后能夠通過(guò)適合的工藝除去該粘合劑層110，如圖ID 中所示。適合的工藝的一種實(shí)例包括用溶劑清洗該復(fù)合結(jié)構(gòu)以溶解該粘合劑。該溶劑合意 地潤(rùn)濕該多孔轉(zhuǎn)移基底105的表面。當(dāng)使用ePTFE基底時(shí)，適合的溶劑包括但不局限于水
11/醇混合物，例如水/異丙醇(IPA)混合物。在該水/醇混合物中的醇幫助潤(rùn)濕該疏水性的 ePTFE基底，該多孔基底的孔用作該溶劑的排出通道。能夠進(jìn)一步處理該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層125以除去該殘余層120 (如果需要)，將 該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層125的第一表面122暴露出來(lái)。能夠通過(guò)任意適合的工藝除去該殘 余層120。適合的工藝的一種實(shí)例是用溶劑清洗該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層以除去該殘余層。 如果該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層包括由茈紅制成的晶須，那么用于茈紅的適合的溶劑包括但不 局限于水、丙酮、正丙醇(NPA)或1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)的混合物。水/NPA混合物 能夠溶解少量茈紅(低溶解度)。NMP似乎對(duì)溶解茈紅非常有效，但其具有高的沸點(diǎn)，因此 需要用進(jìn)一步的溶劑清洗以完全將其除去。因此，優(yōu)選用上述溶劑的混合物來(lái)進(jìn)行該清洗 工藝。再次，該多孔基底的孔用作該溶劑和溶解的殘余材料的排出通道。如果使用Fe或M 催化劑來(lái)生長(zhǎng)碳納米管或碳納米纖維，能夠使用硝酸、硫酸和其它酸來(lái)溶解該殘余金屬。如 果需要，能夠在該酸性溶液中添加醇以幫助潤(rùn)濕該ePTFE基底。能夠通過(guò)同時(shí)施加用于該粘合劑層110和殘余層120兩者的溶劑來(lái)同時(shí)除去該粘 合劑層110和殘余層120?？商娲?，能夠在一層之后除去另一層。在這種情況下，優(yōu)選將 首先除去該粘合劑層110，以清理通向該多孔轉(zhuǎn)移基底中的孔的通道。如圖ID中所示，如果需要，在該粘合劑層的去除和/或該殘余層的去除的過(guò)程中， 能夠施加真空130。如果使用無(wú)孔轉(zhuǎn)移基底，那么能夠通過(guò)用適合的溶劑溶解該轉(zhuǎn)移基底上的該粘合 劑而從該轉(zhuǎn)移基底上除去該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層。后面在該清洗步驟過(guò)程中能夠除去該殘 余層。能夠通過(guò)離心、過(guò)濾、超聲處理、干燥和重新分散或其組合用適合的溶劑清洗該納米 結(jié)構(gòu)化催化劑元件以除去該臨時(shí)粘合劑。一旦該納米結(jié)構(gòu)化薄催化劑元件被清洗，將其分散在電極油墨中，該電極油墨進(jìn) 一步包括油墨溶劑、離聚物、碳和其它顆粒，使用例如球磨、介質(zhì)研磨、攪拌、行星研磨的技 術(shù)將其摻混在一起，然后涂覆以形成電極。另一種方法將會(huì)是使用上述方法中的一種僅將 該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件分散在溶劑中，以及在單獨(dú)的步驟中，在添加該納米結(jié)構(gòu)化催化 劑元件之前，將碳或Pt/c催化劑粉末預(yù)分散在該電極溶劑(和任意其它組分)中。該方法 的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于這兩種分散體能夠使用不同的分散方法。在將其摻混在一起以形成最終的油 墨之前，在溶劑選擇、油墨流變能力和粒度分布方面能夠單獨(dú)控制和特征化該分散體。這樣 能夠在最終電極的涂層質(zhì)量、性能和耐久性方面產(chǎn)生潛在的改進(jìn)。該電極油墨能夠包括以下中的一種或多種離聚物；電導(dǎo)性顆粒，包括但不局限 于碳粉末和碳纖維；催化劑；二氧化鈦；二氧化硅；納米纖維；納米管；或其組合。例如，能 夠添加離聚物以提高在干條件下該催化劑的質(zhì)子傳導(dǎo)性。能夠包括疏水組分，例如PTFE顆 粒，以改善濕性能。能夠包括電導(dǎo)性顆粒，例如碳(粉末、纖維或兩者)，或催化劑(典型地，該催化劑 將在常規(guī)碳載體上)，以提高電極的總厚度，并由此改善產(chǎn)物水的儲(chǔ)存容量。也能夠使用更耐久的電導(dǎo)性顆粒，以在該電極內(nèi)提供空隙空間用于產(chǎn)物水的存 儲(chǔ)。適合的化合物包括但不局限于電導(dǎo)性硼化物、碳化物、氮化物和硅化物(B、C、N、 Si)。適用于該電導(dǎo)性顆粒的金屬包括但不局限于Co、Cr、Mo、Ni、Ti、W、V、&。美國(guó)公開(kāi) 2006/251954中描述了這種化合物(例如TiN)的使用。納米結(jié)構(gòu)化薄催化層與碳負(fù)載的電極相比的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是耐久性的提高，這是因?yàn)樵撎驾d體特別是在燃料電池啟動(dòng)過(guò)程中容易 被腐蝕。這些其它電導(dǎo)性材料并不完全適用于電極載體，因?yàn)槠錄](méi)有提供如用碳可以得到 的那樣足夠的表面積，以及沒(méi)有提供足夠的Pt分散度。然而，對(duì)于目前的應(yīng)用，該電導(dǎo)性顆 粒將僅需要用于提供空隙空間和電導(dǎo)性而非催化劑載體，因此不需要具有高的表面積。在 該酸性的且高電化學(xué)電勢(shì)的燃料電池環(huán)境中需要材料的耐久性。因此，其應(yīng)用將會(huì)是可以 接受的。也能夠包括二氧化鈦和/或二氧化硅，其是親水性的且能夠用于在干條件下保持 產(chǎn)物水。非電導(dǎo)性顆粒(例如二氧化鈦或二氧化硅)的添加會(huì)同樣需要添加電導(dǎo)性材料以 提供該電導(dǎo)性功能。也能夠?qū)㈦x聚物添加到該層中或通過(guò)隨后的涂覆工藝將其拉入以為該 層提供所需的質(zhì)子傳導(dǎo)性。也能夠使用納米纖維和/或納米管，其能夠用作結(jié)構(gòu)材料以加 入該中間層中。然后能夠?qū)⑼ㄟ^(guò)上述工藝制備的包含納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的該電極油墨用于 常規(guī)電極和MEA制備方法中。例如，能夠?qū)⒃撾姌O油墨涂覆在基底(包括但不局限于電極 貼膜、質(zhì)子交換膜和擴(kuò)散介質(zhì))上。實(shí)施例1通過(guò)5襯％水溶液將水溶性PVA(分子量約為10000)粘合劑層涂覆在ePTFE多孔 基底上。干燥后的PVA負(fù)載量約為0.6mg/cm2。提供支撐在承載基底上的3M NSTF催化劑層(0. 15mg Pt/cm2)。其包括聚酰亞胺 承載基底和由茈紅制備的晶須的納米結(jié)構(gòu)化薄催化層。在晶須和該聚酰亞胺承載基底之間 的界面上有茈紅的殘余層。使用熱壓(105°C，3.5MPa，4分鐘)工藝，將該晶須的層的第二 表面壓靠在該ePTFE多孔轉(zhuǎn)移基底上的該P(yáng)VA粘合劑層上。然后將該承載基底剝落，從而 在該多孔轉(zhuǎn)移基底上留下晶須層，茈紅的殘余層暴露出來(lái)。圖2A-B顯示了使用該P(yáng)VA粘合劑110的轉(zhuǎn)移到該ePTFE轉(zhuǎn)移基底105上的3M NSTF 催化劑層 125(0. 15mg Pt/cm2)的 SEM 圖像。然后通過(guò)用水/IPA(1 1重量比)混合物溶液將該NSTF催化劑層洗滌多次直至 溶劑自由通過(guò)該ePTFE基底流出為止來(lái)清洗該NSTF催化劑層。然后在晶須的頂部上涂覆 EtOH/NPA(l 1)混合物溶液多次以除去茈紅的殘余層，從而將第一表面暴露出來(lái)。在將該NSTF催化劑層清洗之后，通過(guò)用水清洗將納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件從該 ePTFE基底上洗去。實(shí)施例2通過(guò)15襯％水溶液將水溶性PVA(分子量約為10000)粘合劑層涂覆在聚酰亞胺無(wú) 孔基底上。干燥后的PVA負(fù)載量約為1. 2mg/cm2。提供支撐在承載基底上的3M NSTF催化劑層。其包括聚酰亞胺承載基底和由茈紅 制備的晶須的納米結(jié)構(gòu)化薄催化層。在晶須和該聚酰亞胺承載基底之間的界面上有茈紅的 殘余層。使用熱壓(105°C，3.5MPa，4分鐘)工藝，將晶須的層的第二表面壓靠在該聚酰亞 胺無(wú)孔轉(zhuǎn)移基底上的該P(yáng)VA粘合劑層上。然后將該承載基底剝落，從而在該無(wú)孔轉(zhuǎn)移基底 105上留下晶須層，茈紅的殘余層暴露出來(lái)。圖3A-B顯示了使用該P(yáng)VA粘合劑110的轉(zhuǎn)移到該聚酰亞胺無(wú)孔轉(zhuǎn)移基底105上 的3M NSTF催化劑層125的SEM圖像。
通過(guò)用水溶液在超聲浴中清洗從該聚酰亞胺轉(zhuǎn)移基底上除去納米結(jié)構(gòu)化催化劑 元件。該樣品的清洗是在兩步工藝中實(shí)現(xiàn)的。在第一步驟中，將納米結(jié)構(gòu)化元件真空過(guò)濾通 過(guò)亞微米尺寸的過(guò)濾器。然后，在分級(jí)離心管中離心納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件，傾析出上層清 液。然后在該管中添加清潔水，將該管超聲處理以重新分散該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件。圖 4A是未經(jīng)超聲處理的納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的顯微照片。圖4B顯示了該未經(jīng)超聲處理的 納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的粒度分布。該NSTF納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件具有中心位于約6 μ m 和30 μ m的平均粒徑峰。圖5A是在水中超聲處理1分鐘之后的該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的顯微照片。圖 5B是顯示在超聲處理1分鐘之后該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的粒度分布。該NSTF納米結(jié)構(gòu) 化催化劑元件開(kāi)始分化成平均粒徑峰中心在大約4 μ m和18 μ m的更小的團(tuán)簇。在超聲處理5分鐘之后，發(fā)生了更顯著的分化，如圖6A-B中所示。在大約4 μ m和 18 μ m存在更尖銳的峰以及在大約1. 75 μ m存在肩部，這表明存在能夠均勻分散的更小的 顆粒。實(shí)施例3通過(guò)如實(shí)施例2中所示用水溶液在超聲浴中清洗從該聚酰亞胺轉(zhuǎn)移基底上除去 納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件，并使用20W的強(qiáng)horn超聲將其分散5分鐘。通過(guò)球磨工藝將由Vulcan XC-72炭黑和DuPont Nafion DE2020離聚物組成的 油墨進(jìn)行預(yù)混合，然后和上述分散的納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件摻混在一起，以制備最終的電 極油墨。該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件和該Vulcan XC-72炭黑之間的重量比為0. 25，在最終的 電極油墨中該離聚物和碳之重量比為0.8。通過(guò)使用meyor桿在ETFE基底上涂覆該電極油 墨來(lái)制備電極貼膜。該炭黑的負(fù)載量為0.28mg/cm2，該P(yáng)t負(fù)載量為0.07mg/cm2。在該電極 貼膜干燥之后，將其熱壓在DuPont Nafion NRE211膜上，剝落該ETFE貼膜。用SEM表征 所得到的MEA，并在試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試燃料電池性能。圖7A-B顯示了上述MEA的SEM橫截面。該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件160均勻分散 在該電極層155中。該電極層155約為11 μ m，其比常規(guī)的NSTF電極(約0. 5 μ m)厚的多。 這樣在濕操作條件和高電流密度操作過(guò)程中為該電極系統(tǒng)提供了更大的水緩沖容量。圖8顯示了上述MEA的燃料電池性能。繪制了使用氫氣/純氧氣作為反應(yīng)物(化 學(xué)計(jì)量比分別為2和9. 5)在80°C、50kPa表壓、100% RH下的高頻電阻校正電壓與氫跨越 校正電流(hydrogen cross-over correctedcurrent)之間的關(guān)系。高頻電阻(HFR)代表 該燃料電池的內(nèi)歐姆電阻，主要是膜內(nèi)的質(zhì)子電阻和多個(gè)界面的接觸電阻。包含重新分散 的納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的該電極的Pt催化質(zhì)量活性(在900mV時(shí)的電流密度除以Pt負(fù) 載量)估計(jì)約為0.07A/mg Pt。由該電極的氫吸附/解吸測(cè)試得到的電化學(xué)比表面積約為 9m2/g Pt，測(cè)定該P(yáng)t比活性約為800 μ A/cm2 Pt。這些結(jié)果與直接熱壓在PFSA膜上的基準(zhǔn) NSTF催化劑的相當(dāng)。表明這種重新分散的納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件電極保持了納米結(jié)構(gòu)化薄 膜催化劑的催化活性，但會(huì)具有顯著更大的水儲(chǔ)存容量(總電極厚度約為11微米)。要指出，如“優(yōu)選”、“通?！焙汀暗湫汀敝惖男g(shù)語(yǔ)在本文中不用于限制所要求保護(hù) 的本發(fā)明的范圍或不用于暗示某些特征對(duì)所要求保護(hù)的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能而言是關(guān)鍵、 基本或甚至重要的。相反，這些術(shù)語(yǔ)僅用于強(qiáng)調(diào)在本發(fā)明的特定實(shí)施方案中可以使用或可 以不使用的備選或附加特征。
為了描述和規(guī)定本發(fā)明，要指出，術(shù)語(yǔ)“裝置”在本文中用于表示部件的組合和各 個(gè)部件，無(wú)論部件是否與其它部件組合。例如，本發(fā)明的“裝置”可以包含電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件 或燃料電池，含有本發(fā)明的電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件的車輛等。為了描述和規(guī)定本發(fā)明，要指出，術(shù)語(yǔ)“基本”在本文中用于表示可歸因于任何定 量比較、數(shù)值、測(cè)量或其它表示法的固有不確定程度。術(shù)語(yǔ)“基本”在本文中也用于表示在 不造成所述主題的基本功能變化的情況下定量表示法可偏離指定參考值的程度。已經(jīng)詳細(xì)和參照其具體實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但顯而易見(jiàn)的是，可以在不背離 所附權(quán)利要求書(shū)中規(guī)定的本發(fā)明范圍的情況下作出修改和變動(dòng)。更具體地，盡管本發(fā)明的 一些方面在本文中被指為優(yōu)選或特別有利，但本發(fā)明不一定限于本發(fā)明的這些優(yōu)選方面。
權(quán)利要求
包含納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的電極油墨的制備方法，包括提供包括在其上具有納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的承載基底的電催化劑貼膜，所述納米結(jié)構(gòu)化薄催化層包括納米結(jié)構(gòu)化的催化劑元件；提供在其上具有粘合劑的轉(zhuǎn)移基底；將所述納米結(jié)構(gòu)化薄催化層從所述承載基底轉(zhuǎn)移到所述轉(zhuǎn)移基底；從所述轉(zhuǎn)移基底上除去所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件；提供電極油墨溶劑；和將所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件分散在所述電極油墨溶劑中。
2.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括清洗和分散所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件。
3.權(quán)利要求2的方法，其中在將所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件從所述轉(zhuǎn)移基底上除去之 前清洗所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件。
4.權(quán)利要求2的方法，其中在將所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件從所述轉(zhuǎn)移基底上除去之 后清洗所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件。
5.權(quán)利要求2的方法，其中清洗所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件包括使用過(guò)濾、離心、干燥 和重新分散或其組合使用溶劑洗滌所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件。
6.電極油墨，包括 電極油墨溶劑；分散在所述電極油墨溶劑中的納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件，所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件是 從由承載基底轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移基底的納米結(jié)構(gòu)化薄催化層獲得的；和任選的，至少一種選自離聚物、電導(dǎo)性顆粒、碳粉末、碳纖維、催化劑、二氧化鈦、二氧化 硅、納米纖維或納米管的另外材料。
7.權(quán)利要求6的電極油墨，其中所述電極油墨溶劑包括水、異丙醇、乙醇、水/異丙醇、 水/乙醇或其組合。
8.經(jīng)涂覆的基底，包括選自電極貼膜、質(zhì)子交換膜或擴(kuò)散介質(zhì)的基底；和涂覆在所述基底上的電極油墨，所述電極油墨包括分散在電極油墨溶劑中的納米結(jié) 構(gòu)化催化劑元件，所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件是由從承載基底轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移基底的納米結(jié)構(gòu) 化薄催化層獲得的，和，任選的，至少一種選自以下的另外材料離聚物；電導(dǎo)性顆粒、碳粉 末、碳纖維、催化劑、二氧化鈦、二氧化硅、納米纖維或納米管。
9.權(quán)利要求8的經(jīng)涂覆的基底，其中所述電極油墨進(jìn)一步包括離聚物、碳粉末、碳纖 維、催化劑、二氧化鈦、二氧化硅、納米纖維或納米管中的至少一種。
10.膜電極組件，包括 質(zhì)子交換膜；在所述質(zhì)子交換膜的相對(duì)側(cè)上的一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)，所述氣體擴(kuò)散介質(zhì)具有第一和第 二側(cè)，所述第一側(cè)朝向所述質(zhì)子交換膜；和在所述質(zhì)子交換膜和所述一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)之間的一對(duì)電極層，至少一個(gè)所述電極層 是通過(guò)將電極油墨涂覆在所述質(zhì)子交換膜上或者所述一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)的第一側(cè)上而形 成的，所述電極油墨包括分散在電極油墨溶劑中的納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件，和任選的至少 一種選自離聚物、電導(dǎo)性顆粒、碳粉末、碳纖維、催化劑、二氧化鈦、二氧化硅、納米纖維或納米管的另外材料，其中所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件是由從承載基底轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移基底的納米結(jié)構(gòu)化薄催化層獲得的。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的電極油墨的制備。具體而言，描述了包含納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件的電極油墨的制備方法。該方法包括提供包括在其上具有納米結(jié)構(gòu)化薄催化層的承載基底的電催化劑貼膜，該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層包括納米結(jié)構(gòu)化的催化劑元件；提供在其上具有粘合劑的轉(zhuǎn)移基底；將該納米結(jié)構(gòu)化薄催化層從該承載基底轉(zhuǎn)移到該轉(zhuǎn)移基底；從該轉(zhuǎn)移基底上除去該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件；提供電極油墨溶劑；和將該納米結(jié)構(gòu)化催化劑元件分散在該電極油墨溶劑中。還描述了用該方法制備的電極油墨、經(jīng)涂覆的基底和膜電極組件。
文檔編號(hào)H01M8/10GK101887978SQ20101018024
公開(kāi)日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者C·紀(jì), M·狄?jiàn)W瓜迪, S·巴加瓦 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司