CN102195046B - 用于燃料电池的膜-电极组件、其制法和燃料电池*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开用于燃料电池的膜-电极组件、其制法和燃料电池***。所述膜-电极组件可包括聚合物电解质膜、设置于所述聚合物电解质膜上的粘合层和形成以与所述粘合层部分交叠的催化剂层。所述聚合物电解质膜、粘合层和催化剂层可置于阴极和阳极之间。所述阴极可包括阴极基板和所述阳极可包括阳极基板。所述燃料电池***引入膜-电极组件。

Description

用于燃料电池的膜-电极组件、其制法和燃料电池***
技术领域
本公开内容涉及用于燃料电池的膜-电极组件、制造用于燃料电池的膜-电极组件的方法和燃料电池***。
背景技术
燃料电池是通过独立供应的氧和基于烃的材料中所包含的氢的电化学还原-氧化反应产生电能的发电***。燃料电池的典型例子包括聚合物电解质膜燃料电池(“PEMFC”)和直接氧化燃料电池(“DOFC”)。聚合物电解质燃料电池包括作为燃料电池主体的堆(stack)和通过由重整器供应的氢与来自空气泵或风扇的氧之间的电化学反应产生电能。直接氧化燃料电池通过独立供应的燃料和氧之间的电化学反应产生电能。
在燃料电池中，堆包括几个至几十个堆叠的单元电池，和各单元电池包括膜-电极组件(“MEA”)和隔板。MEA包括聚合物电解质膜、一对设置于聚合物电解质膜两侧上的催化剂层以及设置在催化剂层外面的气体扩散层。
发明内容
在一个方面中，用于燃料电池的膜-电极组件通过使聚合物电解质膜和催化剂层之间的粘合区域最大化而具有改善的质子传输和界面处粘合强度。
在另一方面中，提供制造膜-电极组件的方法，所述膜-电极组件通过使聚合物电解质膜和催化剂层之间的粘合区域最大化而具有改善的质子传输和界面处粘合强度。
在另一方面中，提供燃料电池***，其由于降低的界面电阻而具有改善的输出。
在另一方面中，用于燃料电池的膜-电极组件包括例如聚合物电解质膜、设置于所述聚合物电解质膜上的粘合层和形成以与所述粘合层部分交叠的催化剂层。
在一些实施方式中，所述聚合物电解质膜、粘合层和催化剂层置于阴极基板和阳极基板之间。在一些实施方式中，所述催化剂层为阴极催化剂层。在一些实施方式中，所述催化剂层为阳极催化剂层。在一些实施方式中，所述粘合层具有约20nm～约1,000nm的平均厚度。在一些实施方式中，与所述粘合层交叠的催化剂层部分的平均厚度为所述催化剂层厚度的约1％～约10％。在一些实施方式中，所述粘合层由例如聚合物形成，所述聚合物选自包括例如用于所述催化剂层的粘结剂、用于所述聚合物电解质膜的聚合物、以及其一种或多种组合的组。在一些实施方式中，所述粘合层由质子传导全氟聚合物形成。
在一些实施方式中，所述催化剂层包括例如金属催化剂，所述金属催化剂选自包括铂、钌、锇、铂-钌合金、铂-锇合金、铂-钯合金、铂-M合金(M为选自如下的过渡元素：Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、及其组合)以及其一种或多种组合的组。在一些实施方式中，所述聚合物电解质膜由例如包括质子传导基团和主链的聚合物形成，所述主链选自包括例如亚芳基醚、亚芳基砜、亚芳基硫醚、苯并咪唑、酰亚胺、醚酰亚胺、亚芳基醚砜、亚芳基醚酮、亚芳基醚-醚酮、苯基喹喔啉、以及其组合的组。在一些实施方式中，所述聚合物电解质膜由例如包括由下列化学式1表示的结构单元的聚合物形成：
在以上化学式1中，X1～X8选自包括O、S、CO、SO2和CRR’的组，R和R’为氢、C1～C10烷基或C1～C10氟烷基，Y1～Y4选自包括氢、C1～C10烷基、C1～C10氟烷基或质子传导基团的组，Y1～Y4的至少一个为质子传导基团，n1～n4为1～4的整数，R1～R4为氢、C1～C10烷基或C1～C10氟烷基，m1～m4为1～4的整数，和x可为约10摩尔％～约90摩尔％。
在一些实施方式中，用于燃料电池的膜-电极组件通过使聚合物电解质膜和催化剂层的界面上的粘合区域最大化而具有改善的质子传输和增加的界面处粘合强度。
在另一方面中，制造用于燃料电池的膜-电极组件的方法包括，例如，在设置于阴极或阳极上的催化剂层上设置粘合层以使所述催化剂层与所述粘合层部分交叠和在所述粘合层上形成聚合物电解质膜。
在一些实施方式中，使用凝胶相粘合层组合物设置所述粘合层。在一些实施方式中，所述粘合层通过喷涂设置于所述催化剂层上。在一些实施方式中，所述粘合层具有约20nm～约1000nm的平均厚度。在一些实施方式中，所述粘合层由聚合物形成，所述聚合物选自包括例如用于所述催化剂层的粘结剂、用于所述聚合物电解质膜的聚合物以及其一种或多种组合的组。在一些实施方式中，所述粘合层由质子传导全氟聚合物形成。
在另一方面中，燃料电池堆包括例如具有夹在两个隔板之间的膜-电极组件的电发生器。在一些实施方式中，所述膜-电极组件的催化剂层为阴极催化剂层。在一些实施方式中，所述膜-电极组件的催化剂层为阳极催化剂层。
在另一方面中，燃料电池***包括燃料供应器、氧化剂供应器和至少一个电发生器。在一些实施方式中，所述电发生器包括用于燃料电池的膜-电极组件。在一些实施方式中，所述电发生器包括隔板。在一些实施方式中，燃料电池***由于降低的界面电阻而具有改善的输出。
附图说明
从结合附图考虑的下列描述和所附权利要求，本公开内容的特征将变得更充分地明晰。应理解这些附图仅描述根据本公开内容的一些实施方式，因此不应被认为是限制其范围；将通过使用附图以另外的特征和细节描述本公开内容。根据所描述的实施方式的一些的装置、***或方法可具有若干个方面，所述方面中没有单独一个必然地独自为造成所述装置、***或方法的合乎需要的属性的原因。在考虑该讨论之后，并且特别是在阅读标题为“具体实施方式”的部分之后，将理解所图解的特征如何用于解释本公开内容的一些原理。
图1是描绘根据一个实施方式的用于燃料电池的膜-电极组件中的聚合物电解质膜、粘合层和催化剂层的界面结构的示意图。
图2是描绘根据另一实施方式的燃料电池***的结构的示意图。
图3是描绘根据一个实施方式的用于燃料电池的膜-电极组件中的聚合物电解质膜、粘合层和催化剂层的界面结构的扫描电子显微镜照片。
图4是描绘根据实施例1和对比例1的单电池的电流-电压特性对比的图。
图5是描绘根据实施例1和对比例1的单电池在300mA/cm2恒电流条件下的AC阻抗对比的图。
具体实施方式
在下列详细描述中，仅仅只是通过图解展示和描述了一些示例性实施方式。本领域技术人员将认识到，所描述的实施方式可以各种不同的方式改变，所有的都不脱离本公开内容的精神或范围。因此，附图和描述应被认为在本质上是说明性的而不是限制性的。另外，当一个元件被称为“在”另一元件“上”时，其可直接在所述另一元件上，或者间接地在所述另一元件上，其间***有一个或多个中间元件。而且，当一个元件被称为与另一元件“连接”时，其可与所述另一元件直接连接，或者与所述另一元件间接连接，其间***有一个或多个中间元件。在下文中，相同的附图标记是指相同的元件。参考附图更详细地描述一些实施方式，使得本领域技术人员可容易地进行和使用本公开内容的各方面。
当没有另外提供具体定义时，如本文中所使用的术语“亚芳基”是指C6～C30亚芳基，术语“烷基”是指C1～C10烷基，和术语“烷氧基”是指C1～C10烷氧基。
根据一个实施方式的用于燃料电池的膜-电极组件可包括，例如，彼此面对的阴极和阳极、***在所述阴极和所述阳极之间的聚合物电解质膜、以及设置于所述聚合物电解质膜和催化剂层之间的粘合层。所述催化剂层和所述粘合层可具有界面，其中所述催化剂层或催化剂颗粒形成以与所述粘合层的至少一部分交叠和/或渗入到所述粘合层的至少一部分中。所述阴极可包括例如阴极基板和阴极催化剂层。所述阳极可包括例如阳极基板和阳极催化剂层。在一些实施方式中，所述阴极催化剂层为所述催化剂层。在一些实施方式中，所述阳极催化剂层为所述催化剂层。
图1为用于燃料电池的膜-电极组件中的聚合物电解质膜、粘合层以及催化剂层或催化剂颗粒300的界面结构的示意图。如图1中所描绘的，用于燃料电池的膜-电极组件可包括例如在聚合物电解质膜100和催化剂颗粒300之间的粘合层200。图1中描绘的膜-电极组件还包括基板400。催化剂颗粒300和粘合层200具有界面250，其中催化剂颗粒300形成以与粘合层200部分交叠和/或渗入到粘合层200中。
粘合层200填充催化剂颗粒300和聚合物电解质膜100之间的空的空间，和由此可使其中催化剂颗粒300与聚合物电解质膜100接触的区域最大化。由于聚合物电解质膜100和催化剂颗粒300之间没有空的空间，但是在催化剂层和粘合层200之间沿着催化剂颗粒300的表面曲线存在较大的界面，因此粘合层200可增加离子传输路径和改善粘合强度。
所述粘合层可具有约20nm～约1,000nm的平均厚度，和在另一实施方式中可具有约100nm～约500nm的平均厚度。当所述粘合层具有在所述范围内的厚度时，所述粘合层比催化剂层的表面粗糙度更深地渗入到所述催化剂层中，防止电阻增大。换言之，所述粘合层不仅填充直接在表面处的孔(即表面凹处)，还填充在所述催化剂层表面下的孔至预定深度。
催化剂层可以基于所述催化剂层整个厚度的约1％～约10％的平均厚度范围或者以约2％～约5％的厚度范围与所述粘合层部分地交叠或者部分地渗入到所述粘合层中。当所述催化剂层具有在所述范围内的渗入厚度时，其可将所述催化剂层和所述粘合层牢固地结合。所述催化剂层和所述粘合层之间的这样的牢固结合可导致改善的输出性能。
所述粘合层可由选自用于催化剂层的粘结剂、用于聚合物电解质膜的聚合物及其组合的聚合物形成。
例如，当聚合物电解质膜由聚亚芳基醚聚合物形成和所述催化剂层包括质子传导全氟聚合物时，所述聚合物电解质膜和催化剂层具有界面。在该界面处，所述聚合物电解质膜和催化剂层可由于所述聚亚芳基醚聚合物和所述质子传导全氟聚合物的收缩/膨胀率差异而分离。作为粘结剂包含于催化剂层中的质子传导全氟聚合物可直接接触所述聚合物电解质膜的小区域。此外，在没有所述质子传导全氟聚合物的界面处，粘合强度低。高的温度和压力帮助粘合具有高的软化点的聚亚芳基醚聚合物。然而，包含于所述催化剂层中的所述质子传导全氟聚合物可由于高的温度和压力而恶化和在形状上改变。
在一个实施方式中，设置于聚合物电解质和催化剂层之间的界面处的粘合层改善界面粘附。
当所述粘合层由例如质子传导全氟聚合物形成时，所述粘合层可在比聚合物电解质膜的聚合物的软化点低的温度下粘附到催化剂层上。这导致防止催化剂层的改变和退化。
所述聚合物电解质膜可由包括例如质子传导基团和主链的聚合物形成，所述主链选自包括例如亚芳基醚、亚芳基砜、亚芳基硫醚、苯并咪唑、酰亚胺、醚酰亚胺、亚芳基醚砜、亚芳基醚酮、亚芳基醚-醚酮、苯基喹喔啉、以及其组合的组。所述质子传导基团可为选自包括例如磺酸基团、羧酸基团、磷酸基团、膦酸基团、以及其一种或多种衍生物(例如盐)的组的官能团。
所述聚合物电解质膜可由包括由下列化学式1表示的结构单元的聚合物形成。
[化学式1]
在以上化学式1中，X1～X8选自包括例如O、S、CO、SO2和CRR’(其中R和R’为氢、C1～C10烷基、C1～C10氟烷基)的组，Y1～Y4选自包括例如氢、C1～C10烷基、C1～C10氟烷基、或质子传导基团的组，条件是Y1～Y4的至少一个为质子传导基团，n1～n4为1～4的整数，R1～R4为氢、C1～C10烷基、或C1～C10氟烷基，m1～m4为1～4的整数，和x为约10摩尔％～约90摩尔％或约20摩尔％～约80摩尔％。
所述质子传导基团可为选自包括例如磺酸基团、羧酸基团、磷酸基团、膦酸基团、以及其一种或多种衍生物(例如盐)的组的官能团。
所述催化剂层可包括金属催化剂。金属催化剂可选自包括例如铂、钌、锇、铂-钌合金、铂-锇合金、铂-钯合金、铂-M合金(M为选自如下的过渡元素：镓(Ga)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、以及其一种或多种组合)、以及其一种或多种组合的组。
所述催化剂可由载体负载。所述载体可选自包括例如基于碳的材料、无机材料颗粒、以及其一种或多种组合的组。特别地，所述基于碳的材料可由例如石墨、超导电乙炔黑(denka black)、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米线、碳纳米球、活性炭等形成。所述无机材料颗粒可由例如氧化铝、二氧化硅、氧化锆、二氧化钛等形成。
所述催化剂层还可包含粘结剂以改善质子传输和粘附。所述粘结剂可由例如具有质子传导性的聚合物树脂，但是优选具有质子传导基团的任何聚合物树脂形成。所述质子传导基团可选自包括例如在侧链上的磺酸基团、羧酸基团、磷酸基团、膦酸基团、以及其一种或多种衍生物(例如盐)的组。特别地，其可由选自包括例如如下的组的至少一种质子传导聚合物形成：含有质子传导基团的氟基聚合物、含有质子传导基团的基于苯并咪唑的聚合物、含有质子传导基团的基于酰亚胺的聚合物、含有质子传导基团的基于醚酰亚胺的聚合物、含有质子传导基团的基于亚苯基硫醚的聚合物、含有质子传导基团的基于砜的聚合物、含有质子传导基团的基于醚砜的聚合物、含有质子传导基团的基于醚酮的聚合物、含有质子传导基团的基于醚-醚酮的聚合物、或含有质子传导基团的基于苯基喹喔啉的聚合物，和优选地，其可由选自包括例如如下的组的至少一种质子传导聚合物形成：聚(全氟磺酸)、聚(全氟羧酸)、四氟乙烯与氟乙烯基醚的含有磺酸基团的共聚物、含有磺酸基团的聚醚酮、含有磺酸基团的聚芳基醚酮、含有磺酸基团的聚(2，2′-间-亚苯基)-5，5′-双苯并咪唑、或含有磺酸基团的聚(2，5-苯并咪唑)。
所述质子传导聚合物可包含阳离子交换基团，所述阳离子交换基团包括例如取代侧链上的H的Na、K、Li、Cs或四丁基铵。当Na取代离子交换基团的侧链上的氢(H)时，可使用NaOH制备催化剂组合物。当四丁基铵取代H时，可使用氢氧化四丁基铵。也可通过使用合适的化合物来用K、Li或Cs取代H。该取代方法在该相关领域中是公知的并且在此可不详细说明。另外，当用硫酸处理催化剂层时，包含取代H的Na、K、Li、Cs或四丁基铵的质子传导聚合物可再次磺化，由此转化为质子型。
所述粘结剂树脂可单独或作为混合物使用，另外，其可选择性地与非传导性化合物一起使用以改善对聚合物电解质膜的粘附。对于该目的，这可以其使用量来控制。
所述非传导性化合物可选自包括例如聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、乙烯/四氟乙烯共聚物(ETFE)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVdF-HFP)、十二烷基苯磺酸和山梨糖醇的组。
所述电极基板可支持电极和使燃料与氧化剂两者扩散到催化剂层中，使得燃料和氧化剂可容易地到达催化剂层。所述电极基板可为导电的和可由例如炭纸、碳布、碳毡、或金属布(由金属纤维形成的多孔膜或在聚合物纤维布的表面上形成的金属膜)形成。
另外，所述电极基板可由用防水剂处理的氟基树脂形成。所述防水剂可配置为防止由在燃料电池工作时所产生的水导致的反应物扩散效率恶化。所述氟基树脂可由聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚六氟丙烯、聚全氟烷基乙烯基醚、聚全氟磺酰氟烷氧基乙烯基醚、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯或它们的共聚物形成。
另外，可进一步配置微孔层以提升反应物向电极中的扩散效果。所述微孔层可包含例如具有小粒径的导电粉末。所述微孔层可由例如炭粉、炭黑、乙炔黑、活性炭、碳纤维、富勒烯、碳纳米管、碳纳米线、碳纳米角或碳纳米环形成。
可在电极基板上通过包含例如导电粉末、粘结剂树脂和溶剂的组合物涂布所述微孔层。所述粘结剂树脂可由聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚六氟丙烯、聚全氟烷基乙烯基醚、聚全氟磺酰氟烷氧基乙烯基醚、聚乙烯醇、醋酸纤维素或它们的共聚物形成。所述溶剂可包括醇如乙醇、异丙醇、正丙醇、丁醇等，水，二甲基乙酰胺，二甲亚砜，N-甲基吡咯烷酮，四氢呋喃等。取决于组合物的粘度，涂布方法可包括例如丝网印刷、喷涂或刮刀涂覆。
本公开内容的另一实施方式提供制造用于燃料电池的膜-电极组件的方法。该方法包括，例如，在聚合物电解质膜上设置粘合层，将覆盖有所述粘合层的聚合物电解质膜与包括催化剂层的阴极或阳极结合，或者在形成于阴极或阳极中的催化剂层上设置粘合层和将覆盖有所述粘合层的催化剂层与聚合物电解质膜结合。换言之，所述粘合层可首先设置于聚合物电解质膜或催化剂层上。
可使用凝胶相粘合层组合物设置所述粘合层。所述凝胶相粘合层组合物可由聚合物和溶剂形成。所述聚合物可选自包括例如用于所述催化剂层的粘结剂、用于所述聚合物电解质膜的聚合物、以及其一种或多种组合的组。所述溶剂可包括例如醇如乙醇、异丙醇、正丙醇、丁醇等，水，二甲基乙酰胺，二甲亚砜，N-甲基吡咯烷酮，四氢呋喃等。
可通过喷涂粘合层组合物在所述聚合物电解质膜上设置所述粘合层。当喷涂所述粘合层组合物时，所述粘合层不过度地渗入所述催化剂层内部，而是覆盖在所述催化剂层的表面上，填充表面孔。在喷涂期间，聚合物溶液可在喷涂期间部分地挥发和以更高的粘度覆盖在催化剂层的表面上。因此，其可更少地渗入所述催化剂层内部和选择性地填充设置于所述催化剂层表面上的孔。
所述粘合层可为约20nm～约1,000nm厚或约100nm～约500nm厚。所述粘合层可由选自包括例如用于所述催化剂层的粘结剂、用于所述聚合物电解质膜的聚合物、以及其一种或多种组合的组的聚合物形成。在一些实施方式中，所述聚合物可由例如质子传导全氟聚合物如聚(全氟磺酸)形成。
另一实施方式提供包括燃料供应器、氧化剂供应器和至少一个电发生器的燃料电池***。所述电发生器可包括隔板和上述用于燃料电池的膜-电极组件。
所述电发生器通过燃料的氧化和氧化剂的还原起到产生电的作用。配置所述燃料供应器以向所述电发生器供应燃料，同时配置所述氧化剂供应器以向所述电发生器提供氧化剂如氧气或空气。
所述燃料可包括气态或液态的氢或者烃或醇燃料。所述烃或醇燃料可包括例如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或天然气。
图2描绘所述燃料电池***的示意性结构，将参照该附图如下对其进行详细描述。图2描绘使用泵向电发生器供应燃料和氧化剂的***，但是燃料电池***不限于此和可采用扩散方法代替泵。
燃料电池***1可包括配置以通过燃料的氧化和氧化剂的还原产生电的至少一个电发生器3。燃料电池***1可进一步包括配置以向电发生器3供应燃料的燃料供应器5和配置以向电发生器3供应氧化剂的氧化剂供应器7。燃料供应器5可装配有储存燃料的燃料罐9和与燃料罐9连接的燃料泵11。燃料泵11以预定的泵送功率排放储存在燃料罐9中的燃料。氧化剂供应器7可配置用于向电发生器3供应氧化剂和可装配有至少一个配置用于以预定的泵送功率吸入氧化剂的氧化剂泵13。
电发生器3可包括配置以使燃料氧化和配置以使氧化剂还原的膜-电极组件17。电发生器3可进一步包括配置以在膜-电极组件17的两侧供应燃料和氧化剂的隔板19和19′。一个或多个电发生器3可形成堆15的一部分。
在下文中，使用实施例更详细地说明其它方面。然而，下列实施例用于说明而不是限制本公开内容。
实施例1
通过将Nafion(DuPont Co.)离聚物分散体溶液喷雾干燥和冻干来制备离聚物粉末。将0.86g该离聚物粉末溶解于7.71g一缩二丙二醇中并向其中添加2g催化剂粉末。搅拌混合物，然后向其中添加7.54g水。充分搅拌所得混合物以制备用于催化剂层的组合物。对于阴极催化剂，使用由Tanaka Co.，Ltd.制造的TEC36E51 PtCo/C催化剂。对于阳极催化剂，使用由Tanaka Co.，Ltd.制造的TEC61E54 PtRu/C。
在阴极基板和阳极基板上分别涂布用于阴极催化剂层和阳极催化剂层的组合物。在约60℃下充分真空干燥所述组合物。将经干燥的所得产物在100℃的水中充分煮沸和再次干燥，制造用于催化剂层的膜并由此制造阴极和阳极。
在这里，阴极包括0.25mg催化剂/cm2的负载量和阳极包括0.35mg催化剂/cm2的负载量。
然后，通过基于100重量份的以50/50的体积比混合的水/异丙醇放入20重量份的Nafion和搅拌该混合物而制备粘合层组合物。在室温下将该粘合层组合物以0.1mg/cm2的量喷涂在阴极和阳极的催化剂层上以在所述催化剂层的表面上形成500nm厚的粘合层。
将阴极和阳极设置在包括化学式2的磺化的基于聚亚芳基醚的聚合物的电解质膜的两侧上，并在150℃下一起热辊压以将电解质膜粘附到阴极和阳极上，由此制造膜-电极组件。
[化学式2]
在以上化学式2中，x为50摩尔％。
将所述膜-电极组件***在垫片之间，而且在包括具有预定形状的气体通道和冷却剂通道的两个隔板之间，然后在端板之间压缩以制造单电池。
图3是用于燃料电池的膜-电极组件中的聚合物电解质膜510、粘合层520和催化剂层530的界面结构500的扫描电子显微镜(“SEM”)照片。如图3中所示，界面525表明其中粘合层520形成以与催化剂层530部分交叠或渗入到催化剂层530中的区域。
实施例2
根据与实施例1相同的方法制造膜-电极组件和单电池，除了通过以0.15mg/cm2的量喷涂粘合层组合物在催化剂层的表面上形成800nm厚的粘合层来代替通过以0.1mg/cm2的量喷涂粘合层组合物在催化剂层的表面上形成500nm厚的粘合层之外。
对比例1
根据与实施例1相同的方法制造膜-电极组件和单电池，除了在催化剂层的表面上不形成粘合层之外。
评估1：输出特性
将空气和氢气注入到根据实施例1～2和对比例1的单电池的各阴极和阳极中。然后，测量单电池的电流-电压特性。
所述电池保持在60℃和分别具有50％和83.3％的空气和氢气利用率。将控制所述气体以保持基于60℃的80％的湿度。控制阴极和阳极控制以保持高的背压。
图4为显示根据实施例1和对比例1的单电池的电流-电压特性比较的图。
参照图4，与对比例1相比，实施例1具有优异的输出特性。比较它们在0.7V下的输出性能，对比例1具有371mW/cm2，而实施例1具有441mW/cm2。因而，实施例1具有比对比例1好约19％的输出性能。
图5为描绘实施例1和对比例1在300mA/cm2恒电流条件下的AC阻抗比较的图。x轴为阻抗的实数(Z’)，而y轴为阻抗的虚数(Z”)。阻抗曲线与x轴相交的点的实数值为欧姆电阻，其描述包括膜电阻和界面电阻的电阻分量。根据实施例1的单电池具有0.171Ωcm2的界面电阻，而根据对比例1的单电池具有0.243Ωcm2的界面电阻。
因此，根据实施例1的单电池具有比对比例1低30％的电阻。实施例1和对比例1包括相同的膜，但是不同之处在于在界面上包括粘合层。因此，它们在欧姆电阻方面的差异来自界面电阻的差异。设置于界面上的粘合层改善界面上的质子传输并由此降低界面电阻，和改善输出性能。
评估2：界面粘附
通过将根据实施例1和2以及对比例1的单电池保持在60℃并向各阴极和阳极中注入氮气来评估界面粘附。氮气通过被增湿和干燥而重复地注入，由此由于水合和干燥而重复地导致膜-电极组件的收缩和膨胀。每10分钟将氮气100％地增湿和干燥并重复地注入。每个循环注入经增湿和干燥的氮气1次(总共20分钟)。在总共5000次循环之后，比较电池的欧姆电阻。结果提供于下表1中。
表1
如表1中所示，与初始电阻相比，不包括粘合层的对比例1的单电池具有增加了304.1％的电阻。与初始电阻相比，在催化剂层上以0.1mg/cm2的量包括粘合层的根据实施例1的单电池具有增加了18.7％的电阻。对比例1和实施例1的比较显示出由于覆盖在催化剂层上的粘合层引起的界面粘合稳定性的改善。根据实施例2的单电池显示出低的欧姆电阻增加率。
尽管已经结合一些示例性实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员理解可进行各种改进和变化而不脱离本公开内容的范围。本领域技术人员还理解包括在一个实施方式中的部分可与其它实施方式互换；来自所描述的实施方式的一个或多个部分可以任意组合包括在其它描述的实施方式中。例如，本文中描述的和/或附图中描绘的任意各种组分可与其它实施方式组合、与其它实施方式互换或者从其它实施方式中排除。关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可按照对于上下文和/或应用合适地将复数转变为单数和/或将单数转变为复数。为了清楚起见，本文中可明确地阐明各种单数/复数置换。因而，尽管本公开内容已经描述了一些示例性实施方式，但是应理解本发明不限于所公开的实施方式，而是相反，意在涵盖包括在所附权利要求及其等同物的精神和范围内的各种改进和等同布置。

Claims (14)

1.用于燃料电池的膜-电极组件，包括：
聚合物电解质膜；
设置于所述聚合物电解质膜上的粘合层；和
形成以与所述粘合层部分交叠的催化剂层，
其中所述聚合物电解质膜、所述粘合层和所述催化剂层置于阴极基板和阳极基板之间，
其中催化剂颗粒形成以渗入到所述粘合层的至少一部分中，
其中所述聚合物电解质膜由包括由下列化学式1表示的结构单元的聚合物形成：
其中在以上化学式1中，
X1～X8选自O、S、CO、SO2和CRR’，其中R和R’为氢、C1～C10烷基或C1～C10氟烷基，
Y1～Y4选自氢、C1～C10烷基、C1～C10氟烷基或质子传导基团，其中Y1～Y4的至少一个为质子传导基团，
n1～n4为1～4的整数，
R1～R4为氢、C1～C10烷基、或C1～C10氟烷基，
m1～m4为1～4的整数，和
x为10摩尔％～90摩尔％。
2.权利要求1的膜-电极组件，其中所述催化剂层为阴极催化剂层。
3.权利要求1的膜-电极组件，其中所述催化剂层为阳极催化剂层。
4.权利要求1的膜-电极组件，其中所述粘合层填充所述催化剂层的表面处的孔和填充在所述催化剂层表面下的孔至预定深度。
5.权利要求1的膜-电极组件，其中所述粘合层具有20nm～1,000nm的平均厚度。
6.权利要求1的膜-电极组件，其中与所述粘合层部分交叠的催化剂层部分的平均厚度为所述催化剂层厚度的1％～10％。
7.权利要求1的膜-电极组件，其中所述粘合层由选自用于所述催化剂层的粘结剂、用于所述聚合物电解质膜的聚合物、以及其组合的聚合物形成。
8.权利要求1的膜-电极组件，其中所述粘合层由质子传导全氟聚合物形成。
9.权利要求1的膜-电极组件，其中所述催化剂层包括选自如下的金属催化剂：铂、钌、锇、铂-钌合金、铂-锇合金、铂-钯合金、铂-M合金以及其组合，M为选自如下的过渡元素：Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、以及其组合。
10.制造权利要求1-9任一项的用于燃料电池的膜-电极组件的方法，包括：
在设置于阴极或阳极上的催化剂层上设置粘合层以使所述催化剂层与所述粘合层部分交叠；和
在所述粘合层上形成聚合物电解质膜。
11.权利要求10的方法，其中使用凝胶相粘合层组合物设置所述粘合层。
12.权利要求10的方法，其中所述粘合层通过喷涂设置于所述催化剂层上。
13.燃料电池***，包括：
至少一个电发生器；和
燃料供应器和氧化剂供应器，
其中所述电发生器包括隔板和权利要求1～9中任一项的用于燃料电池的膜-电极组件。
14.燃料电池堆，其包括电发生器，其中所述电发生器包括夹在两个隔板之间的权利要求1～9中任一项的膜-电极组件。
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