[发明专利]燃料电池催化剂用粘合剂、用其的膜电极组件及制法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池催化剂组合物的粘合剂，包含该粘合剂的膜电极组件及其制备方法。 

背景技术

燃料电池是通过氧化剂和燃料如氢或诸如甲醇、乙醇、天然气等的烃-基材料的电化学氧化还原反应来产生电能的发电系统。 

典型的示例性的燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接氧化燃料电池(DOFC)。直接氧化燃料电池包括使用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池。 

聚合物电解质膜燃料电池是用于替代常规能源的环境友好的能源。它具有诸如高功率输出密度和能量转换效率等的优点，在室温下具有可操作性，并且可以将它小型化和紧密地密封。因此，其可适用于一系列广泛的领域如无污染的汽车，发电系统，以及用于移动式设备、军事装备等的便携式电源。 

聚合物电解质膜燃料电池具有能量密度高的优点，但是它也存在这样的问题，即必需小心地处理氢气和需要辅助设备如用于重整甲烷或甲醇、天然气等以便产生作为燃料气体的氢气的燃料重整处理器。 

与此相反，直接氧化燃料电池的能量密度比聚合物电解质膜燃料电池低，但是它具有以下优点，即较容易地处理液态型燃料、工作温度低和不需要额外的燃料重整处理器。因此，其已经被认为用于小型电气设备的便携式电源的合适系统。 

在燃料电池系统中，发电的电池组基本上包括大量以堆叠结构排列的单元电池，其中每个单元电池由膜电极组件(MEA)和隔板(也称为双极板)构成。每个膜电极组件均具有排列在聚合物电解质膜相对两侧上的阳极(也称作“燃料电极”或“氧化电极”)和阴极(也称作“空气电极”或“还原电极”)。 

隔板不仅作为把所需的燃料供给阳极和把氧气供给阴极的通道，而且作为串联膜电极组件中的阳极和阴极的导体。燃料的电化学氧化反应发生在阳极而氧气的电化学还原反应发生在阴极，从而由于在这个过程中产生的电子的迁移而产生电、热和水。 

发明内容

本发明的实施方案提供了一种用于燃料电池的粘合剂，其可以通过改善膜电极组件中膜和电极之间的粘合来防止在电池运行过程中催化剂层中聚合物的洗脱。这样的实施方案为聚合物电解质膜提供了极好的亲合力以改进界面特性，提供了改进的质子迁移能力，并且也可以防止催化剂中毒。 

本发明的另一个实施方案提供了一种用于形成催化剂层的组合物，它包含上述粘合剂和溶剂如水。 

本发明的又一个实施方案提供了膜电极组件和使用所述用于形成催化剂层的组合物制备膜电极组件的方法。 

根据本发明的实施方案，用于燃料电池的粘合剂是通过交联至少一种选自式1和式2表示的化合物的聚合物而形成的： 

式1 

式2 

其中A、B和C各自独立地为氧、硫、SO、羰基或磺酰基；x、y和z各自独立地为1-10的整数；R₁、R₂、R₃、R₄和R₅各自独立地为氢、卤素原子、烷基、烯丙基、芳基、烷基磷酸、烷基磺酸、氟代烷基磺酸(至少一个 氢被氟取代的烷基磺酸)、磺酸、羧酸、磷酸、膦酸或其衍生物；j、k、l、m和n各自独立地为1-3；a为1-100000；及b为3-10000。 

根据本发明的另一个实施方案，提供一种用于燃料电池的粘合剂，它包括式1a表示的化合物： 

式1(a) 

根据本发明的又一个实施方案，提供一种形成催化剂层的组合物，它包含至少一种选自式1和式2表示的化合物的粘合剂。 

根据本发明的再一个实施方案，提供一种聚合物电解质膜，它包含至少一种选自式1和式2的粘合剂。 

根据本发明的另一个实施方案，提供一种膜电极组件，它包括上述的聚合物电解质膜，其与聚合物电解质膜相对两侧的阳极和阴极结合。 

对于这样的实施方案，阳极和阴极至少有一个包括在电极基底上形成的催化剂层。催化剂层包含至少一种粘合剂，该粘合剂是通过交联一种或多种选自式1和式2的化合物而形成的。 

根据本发明的再一个实施方案，提供了一种膜电极组件，其中催化剂层是直接形成在聚合物电解质膜的两侧上。至少一个催化剂层包含至少一种粘合剂，该粘合剂包括一种或多种交联的式1和式2的化合物。