[發明專利]制備在兩側涂覆催化劑的膜的方法

無效

• 申請號: 200680038346.4
• 申請日: 2006-08-15
• 公開（公告）號: CN101288192A
• 公開（公告）日: 2008-10-15
• 發明（設計）人: S·塔特;A·赫沃羅斯特;H·默瓦爾德;I·亨尼希
• 申請（專利權）人: 巴斯夫歐洲公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/02;H01M8/10
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所
• 代理人: 劉金輝;林柏楠

本發明涉及一種制備用于電化學器件(例如燃料電池、電化學傳感器或電解池)的在兩側用催化劑涂覆的聚合物電解質膜(催化劑涂覆的膜)的方法。本發明還涉及一種制備膜電極組件和催化劑涂覆的膜的方法。

燃料電池是將化學能轉化為電能的換能器。在燃料電池中電解原理是反向的。此處，將燃料(例如氫氣)和氧化劑(例如氧氣)轉化成電流，在兩個電極的分隔位置產生水和熱。各種類型的操作溫度各不相同的燃料電池是目前公知的。然而，電池結構原則上在所有類型中都是相同的。它們通常包含兩個電極(即發生反應的陽極和陰極)，和在兩個電極之間的電解質。在聚合物電解質膜燃料電池(PEM燃料電池)中，輸送離子(尤其是H⁺)的聚合物膜用作電解質。電解質具有三個作用。它建立離子接觸，防止電子接觸，此外還用于保持氣體供應給分開的電極。電極通常用發生氧化還原反應的氣體供給。電極具有供給氣體(例如氫氣或甲醇和氧氣或空氣)的任務，帶走反應產物如水或CO₂并帶走或供給待催化反應的起始材料和電子的任務。化學能向電能的轉化在催化活性中心(例如Pt)，離子導體(例如離子交換聚合物)，電子導體(例如石墨)和氣體(例如H₂和O₂)的三相交界處進行。非常高的活性面積對于催化劑是重要的。

PEM燃料電池的關鍵組分是催化劑涂覆的膜(CCM)或膜電極組件(MEA)。在上下文中，催化劑涂覆的膜(CCM)是兩側用催化劑涂覆的聚合物電解質膜，因此具有三層結構：在膜層一側的外層陽極催化劑層，中心膜層和膜層另一側與陽極催化劑層相對的外層陰極催化劑層。膜層包含質子傳導的聚合物材料(下文將稱作離聚物)。催化劑層包含在陽極和陰極催化各自反應的催化活性組分(例如氫氣的氧化，氧氣的還原)。作為催化活性組分，優選使用元素周期表的鉑系金屬。

膜電極組件包含催化劑涂覆的膜和至少一個氣體擴散層(GDL)。氣體擴散層用于將氣體供給催化劑層并運走電池電流。

膜電極組件是現有技術公知的，例如由WO2005/006473A2已知。此處描述的膜電極組件包含具有前側和后側的離子傳導膜、在前側的第一催化劑層和第一氣體擴散層，在后側的第二催化劑層和第二氣體擴散層，其中第一氣體擴散層的面積比離子傳導膜面積小，而第二氣體擴散層的面積與離子傳導膜的面積基本相同。

WO00/12216A1涉及包含具有中心區域和外圍區域的聚合物電解質膜的膜電極組件。一個電極安裝在聚合物電解質膜的中心區域和部分外圍區域中。底墊(sub-gasket)安裝在聚合物電解質膜的外圍區域以使其可部分延伸至電極中，該電極延伸到聚合物電解質膜的外圍區域中，且另一個襯墊至少部分安裝在底墊上。

許多制備膜電極組件的方法對本領域技術人員是公知的。例如DE19910?773A1描述了一種將電極層施于帶狀聚合物電解質膜的方法。此處，膜的前側和后側連續使用包含電催化劑的墨水以希望的圖案印刷電極層，已經印刷的電極層在印刷步驟后立即在升高的溫度下干燥，其中以保留在前側和后側上的電極層彼此相對的精確定位的圖案而進行印刷。此處的問題是膜材料在與含溶劑的油墨接觸時開始膨脹并變形。

為了避免該問題，WO?02/039525A1提出了一種其中將催化劑溶液施于載體上且將催化劑溶液在離聚物溶液施于所形成的催化劑層之前干燥的制備方法。固化離聚物溶液層。以此方式制備的兩個催化劑離聚物復合層連結形成膜電極組件。在WO?02/039525A1中提出的方法的缺點是：作為施加到載體上的結果，催化劑層傾向于在其上形成濃密的離聚物外殼，這阻礙了氣體向催化劑層的傳輸。這些描述在例如Xie，Garzon，Zawodzinski，Smith：Ionomer?Segregation?in?Composite?MEAs?and?ItsEffect?on?Polymer?Electrolyte?Fuel?Cell?Performance，Journal?of?TheElectrochemical?Society，151(7)A1084-A1093(2004)中。而且，多孔催化劑層在除去載體材料的過程中受損害的風險明顯大于均相膜層從載體薄膜上分離時的風險。此外，油墨必須優化以使得它顯示在載體薄膜上良好的應用和濕潤行為。