專利名稱：用于對燃料電池電極中離聚物空間分布進(jìn)行成像的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
由于氫的清潔性并且可以在燃料電池中高效地產(chǎn)生電，因此它是非 常有吸引力的燃料。氫燃料電池是電化學(xué)裝置，其包括陽極、陰極以及夾在二 者之間的電解質(zhì)。陽極接收氫氣，陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極中離解以 產(chǎn)生自由的氫質(zhì)子和電子。氫質(zhì)子通過該電解質(zhì)到達(dá)陰極。氫質(zhì)子在負(fù)極中與 氧氣和電子反應(yīng)生成水。來自陽極的電子不能通過電解質(zhì)，而是在傳送到陰極 之前M31負(fù)載做功。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是用在車輛上的很流行的燃料電池。 PEMFC通常包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺翻莫。陽極禾口陰極 通常包括被分得很細(xì)的催^^粒，通常是鉬(Pt)，其被支撐在ra粒上并與離 聚物混合。催化混合物沉積在膜的相對側(cè)。陽極催化混合物、陰極催化混合物 和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。 MEA制i^來較貴并且為了有效操作 需要某些條件。多個(gè)燃料電池通常組合在燃料電池堆中產(chǎn)生所需要的電力。例如， 典型的用于汽車的燃料電池堆可以具有二百個(gè)或更多個(gè)堆在一起的燃料電池。 燃料電池堆接收陰極輸入氣體，通常是由壓縮機(jī)強(qiáng)迫推過堆的空氣流。堆并沒 有消耗所有的氧氣， 一些空氣作為陰極廢氣被輸出，所述陰極廢氣可以包括作 為堆的畐U產(chǎn)物的7jC。燃料電池堆還接收流入堆的陽極側(cè)的陽極氫輸入氣體。燃料電池堆包括一系列位于堆中所述數(shù)個(gè)MEA之間的雙極板，其中 雙極板和MEA位于兩個(gè)端板之間。雙極板包括針對堆中相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)。在雙極板的陽極側(cè)上提供陽極氣體流動(dòng)通道，允許陽極反應(yīng)物氣體 流到各自的MEA。在雙極板的陰極側(cè)上提供陰極氣#^動(dòng)通道，其允許陰極反
應(yīng)物氣體流到各自的MEA。 一個(gè)端板包括陽極氣體流動(dòng)通道，另一端板包括陰 極氣#^荒動(dòng)鵬。雙極板和端板都由傳導(dǎo)性材料(conductive material)制成，例 如不辦l或者傳導(dǎo)性復(fù)合物。端板將由燃料電池生成的電導(dǎo)出所述堆。雙極板 還包括冷卻流體流過的流動(dòng)通道。在MEA領(lǐng)域中公知在聚合物電解質(zhì)膜上涂覆催化劑層。催化劑層可 以直接沉積在膜上，或者M(jìn)首先在貼花基底(decal substrate)上涂覆催化劑間 接地施加到膜上。通常通過軋制工藝將催化劑以漿料形式涂覆在貼花基底上。 然后M熱壓步驟將催化齊囀移至U膜上。這種鄉(xiāng)的MEA制紅藝有時(shí)稱作催 化劑涂覆膜(CCM)。在將催化劑涂覆在貼花基底上之后，離聚物層通常在催化劑轉(zhuǎn)移到 膜之前噴涂在催化劑層上。由于催化劑和膜都包括離聚物，所以離聚物噴涂層 在催化劑和膜之間提供了更好的接觸，這是由于其減少了催化劑和膜之間的接 觸阻抗(contact resistance)。這樣增加了膜和催化劑之間的質(zhì)子交換，從而改進(jìn)
了燃料電池的性能。貼花基底可以是多孔膨脹聚四氟乙烯(ePTFE)貼花基底。然而， ePTFE基底很貴并且不可重復(fù)利用。尤其是，當(dāng)催化劑轉(zhuǎn)移到ePTFE基底上的 膜時(shí)，催化劑或者催化劑組分的一部分留在了ePTFE基底上。另外，ePTFE基 底拉伸、變形以及吸收溶劑，使得清潔步驟非常困難。因此，用于制造每個(gè)陽 極和陰極的每一 ePTFE基底被拋棄。貼花基底還可以是非多孔的乙烯一四氟乙烯(ETFE)貼花基底。ETFE 貼花基底為基底提供了催化劑和離聚物的最小損失，因?yàn)閷?shí)質(zhì)上所有的涂層都 被貼花轉(zhuǎn)移(decal transfeired)?；撞蛔冃尾⑶铱梢灾貜?fù)利用。對于這兩種工 藝，陽極禾,極貼花基底都被切害倒最終電極大小的尺寸，然后熱壓到全氟化 膜上，隨后，剝離該貼花基底。如上所述，MEA包括支撐在碳顆粒上的鉑與離聚物混合的混合物。 離聚物具有封裝麵粒的傾向，有時(shí)覆蓋鉑顆粒。為了優(yōu)化MEA盼性能，必須 最優(yōu)化構(gòu)成MEA的混合物。因此，可能必需區(qū)分MEA中的各種材料，例如碳 顆粒的大小、鉑顆粒的分布、離聚物的量、各種材料之間的孔隙的大小和皿，等等。 一種特殊的需要就是出于MEA優(yōu)化目的識(shí)別在燃料電池電極中離聚物的 空間分布。另外，合意的是在MEA中最小化鉑的數(shù)量，因?yàn)槠浒嘿F。而且，由 于所述不同的材料包括一些相同的成分，例如碳，所以通過顯微纟彭見察時(shí)很難 區(qū)分它們。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了用于評i介燃料電池MEA中離聚物空間分 布的方法。該方法包括在環(huán)氧樹脂中包埋MEA，然后從MEA中切下薄片。切 下的片然后暴露在為環(huán)氧樹脂著色的四氯化鈦蒸氣中。然后，使用例如透射電 子顯微鏡(TTEM)觀察著色的片，其中在TEM圖像中較淺的區(qū)域ftt離聚物分布。結(jié)合附圖以及下面的描述和附屬權(quán)利要求時(shí)，本發(fā)明另外的特征將 變得顯而易見。


圖1的流程圖示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案處理MEA從而可以評價(jià) MEA中離聚物的空間分布的工藝；圖2是電極表面處MEA橫截面放大的TEM顯微圖，其中的MEA
已經(jīng)M)1本發(fā)明的工藝進(jìn)行處理；和圖3是電^/膜表面處MEA橫截面放大的TEM顯微圖，其中的MEA 已經(jīng)ilil本發(fā)明的工藝進(jìn)行處理。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明實(shí)施方案的討論涉及處理MEA以便可以視覺上識(shí)別 MEA中離聚物空間分布的方法，該討論實(shí)質(zhì)上僅僅是示例性的，絕不試圖限制 本發(fā)明或者其應(yīng)用，途。圖1的流程圖10示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案用于處理燃料電池的 MEA以便可以觀察MEA中離聚物空間分布的方法。其方法包括在框12處在 環(huán)氧樹脂中包埋MEA。 MEA包括在支撐了催化劑的碳顆粒之間的各種皿禾口 尺寸的孔隙。因此，合意的是4頓透明的物質(zhì)，例如環(huán)^M脂，填充這些孔隙，以便可以在沒有孔隙坊塌的情況下觀察MEA的三維結(jié)構(gòu)?？梢允褂萌魏卧诃h(huán)氧 樹脂中包埋MEA的合適方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，將MEA放在真空容器中， 氣體被泵出容器，然后環(huán)氧樹脂滴到MEA上。當(dāng)壓力被重新弓l入到容器中時(shí)， 環(huán)氧樹脂被迫進(jìn)入到MEA的孔隙中。環(huán)氧樹脂包埋的MEA在框14 M31例如本領(lǐng)域公知的超薄切片機(jī) 被切片或者分割。該超薄切片機(jī)使用金剛石刀在室溫將MEA切成非常薄的片。 在這個(gè)實(shí)施方案中，MEA的切片漂浮在超薄切片機(jī)的水面上。允許切下的MEA 片漂浮在水上一段時(shí)間，例如五併中，以吸收7jC分。然后從水中收集這些切片， 并吸去MEA片上的水以去除多余的7jC。然后在框16處干燥MEA片一段時(shí)間， 例如1-10射中。在一個(gè)實(shí)施方案中，MEA片只是部肝燥。部分干燥的MEA片在 框18處暴露在四氯化鈦蒸氣CnCU)中一段時(shí)間，例如l-2併中。TiCLt中的鈦 只是沉積在包埋的環(huán)氧樹脂以及催化劑和碳支撐上，MEA片中的離聚物沒有被 著色。這樣，離聚物比環(huán)氧樹脂淺，因此很容易視覺上將其和較深外觀的環(huán)氧 樹脂和較深夕卜觀的電極催化劑區(qū)分開?？梢詊頓任何適當(dāng)?shù)某上裱b置在框20處 觀察著色的MEA片，例如翻電子顯微鏡(TEM)。這樣，MEA片育嫩被表 征以控制和優(yōu)化燃料電池電極中離聚物的空間分布。圖2和圖3是高放大率的MEA片的TEM顯微圖，該MEA已經(jīng)通 iiJ:面描述的本發(fā)明方法著色。在這些顯微圖中，離聚物作為較淺的區(qū)域出現(xiàn)， 例如箭頭末端所示出的，其中環(huán)氧樹脂是中等暗區(qū)域，碳支撐的催化劑是非常 暗區(qū)域。圖2示出了電極表面附近的MEA的橫截面，其中在左上角處的一致陰 影區(qū)域是環(huán)氧樹脂，顯微圖的剩余部分是電極。圖3示出了電豐S/膜界面處的 MEA橫截面，其中顯微圖的右下方的較淺區(qū)域是膜，顯微圖的剩余部分是電極。前面的討論僅僅公開和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。本領(lǐng)域技術(shù) 人員從這些討論和附圖以及權(quán)利要求中容易認(rèn)識(shí)到，在不偏離由權(quán)利要求所限 定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對其進(jìn)行各種變化，修改以及變形。
權(quán)利要求
1、用于評價(jià)在膜電極組件(MEA)中離聚物空間分布的方法，該方法包括在支撐材料中包埋所述MEA；切下所述MEA的薄片；將所述MEA片暴露到著色材料，所述著色材料對所述MEA中的所述支撐材料著色，但是并不對所述離聚物著色；以及觀察所述MEA片以識(shí)別所述MEA片中的未著色的離聚物區(qū)域。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中將所述MEA片暴驗(yàn)難材料中包括將 所述MEA片暴露給四氯化鈦。
3、 根據(jù)權(quán)禾腰求2的方法，其中將所述MEA片暴露給四氯化鈦包括將所 述MEA片暴H^四氯化鈦蒸氣中預(yù)定的時(shí)間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中將所述MEA片暴露在四氯化鈦蒸氣中包 括將所述MEA片暴自四氯化鈦蒸氣中一到兩併中的時(shí)間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中將所述MEA片暴驗(yàn)四氯化鈦中包括用 四氯化鈦中的敘對所述支撐材料進(jìn)行著色但不對所述MEA中的所述離聚物著 色。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中切下所述MEA的薄片包括^ffi超薄切片禾;w所述mea切片。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的方法，進(jìn)一步包括允許所述MEA片漂浮^E^，薄切片機(jī)的水中預(yù)定時(shí)間。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中在支!對才料中包埋所述MEA包括在環(huán)氧 樹脂中包埋所述MEA。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中在環(huán)氧樹脂中包埋所述MEA包括在真空 環(huán)境中在所述MEA上滴入環(huán)氧樹脂，然后對所述MEA施壓以便^^述環(huán) 月旨被i&iSA所述MEA的孔隙中。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中觀察所述MEA片包括i柳鄉(xiāng)電子顯 微鏡。
11、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，進(jìn)一步包括在將所述MEA片暴露給所述著色材料之前使其部肝燥。
12、 用于評價(jià) 電，形且件(MEA)中離聚物空間分布的方法，所述方法包括在環(huán)W[脂中包:lFf^MEA; 切下戶;MMEA的薄片；將所述切下的MEA片暴1^四氯化鈦蒸氣中預(yù)定時(shí)間，從而使四氯化鈦 中的f樹所述環(huán),脂進(jìn)行著色，而不對所述MEA中的所述離聚物進(jìn)行著色； 以及iOTSt電子顯微衞見察所述MEA片以識(shí)別所述MEA片中的員色的離 聚物區(qū)域。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中將所述MEA片暴露在四氯化鈦蒸氣中 包括將所述MEA片暴露在所述四氯化鈦蒸氣中一到兩併中時(shí)間。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中切下所述MEA的薄片包括JOT超薄切 片機(jī)切片所述MEA。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，進(jìn)一步包括允許所述MEA片漂浮在所艦薄切片機(jī)的水中預(yù)定時(shí)間。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，進(jìn)一步包括^^述MEA片暴Eft^述四氯化鈦蒸氣中之前使其部肝燥。
17、 用于評價(jià) 電極組件(MEA)中離聚物空間分布的方法，所述方法包括暴露所述MEA到著色材料中，該,材料對所述MEA中除了所述離聚物以外的所有材料進(jìn)行著色；和觀察所述MEA以識(shí)別所述MEA中的未著色的離聚物區(qū)域。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中暴露所述MEA到m材料中包括將所 述MEA暴皿四氯化鈦中。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于對燃料電池電極中離聚物空間分布進(jìn)行成像的方法，尤其涉及用于評價(jià)燃料電池MEA中離聚物空間分布的方法。該方法包括在環(huán)氧樹脂中包埋所述MEA，然后從所述MEA切下薄片。切下的片暴露在對環(huán)氧樹脂進(jìn)行著色的四氯化鈦蒸氣中。著色的片隨后使用例如透射電子顯微鏡(TEM)觀察，其中TEM圖象中較淺的區(qū)域顯示離聚物分布。
文檔編號H01M4/94GK101561389SQ20091000727
公開日2009年10月21日 申請日期2009年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者F·A·海斯, M·P·巴洛夫 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司