[发明专利]制备催化剂层的油墨

说明书

本发明涉及制备用于电化学装置的催化剂层的油墨。描述了包含至少一种有机溶剂的催化剂油墨，该有机溶剂具有对氧化降解稳定的官能团或取代基。该油墨用于制备电化学装置，尤其是燃料电池、膜燃料电池(PEMFC、DMFC)、电解槽或传感器的催化剂层和电极。

燃料电池在两个电极处在分离的场所将燃料和氧化剂转化成电能、热和水。作为燃料，有可能使用氢气、富氢气体或甲醇，而氧气或空气充当氧化剂。燃料电池中能量转换的过程具有尤其高的效率。因此，燃料电池(PEMFC、SOFC等)对活动、静止和便携式应用显得日益重要。膜燃料电池(PEMFC、DMFC等)尤其适合用于上述领域，原因在于它们紧凑的构造、它们的功率密度和它们的高效率。

PEM燃料电池的关键构件是膜电极组件(MEA)。膜电极组件具有夹层状结构并且通常包括五个层。

图1中示出了五层膜电极的示意性结构。在此，阳极气体扩散层(1)与阳极催化剂层(2)一起在阳极一侧上形成气体扩散电极(GDE)；阴极气体扩散层(5)与阴极催化剂层(4)一起在阴极一侧上形成气体扩散电极(GDE)。离子聚合物膜(3)设置在该两个GDE之间。

图2中示出了三层催化剂涂覆的膜(CCM)的结构。在此，催化剂层(2)和(4)直接施加到膜(3)上。

在五层MEA的制备中，通常将两个催化剂涂覆的气体扩散层(或气体扩散电极，GDE)施加到离子聚合物膜(3)的前侧和后侧上并将它们压制在一起以产生MEA。然而，使用催化剂涂覆的离子聚合物膜(CCM)制备MEA的方法也是已知的。在这种情况下，CCM通常与还没有涂覆催化剂的气体扩散层(1)和(5)相结合。

本发明描述了可以用于涂覆各种基材(例如离子聚合物膜、气体扩散层、碳纤维无纺布、聚合物膜、防粘膜等)的含催化剂的新型油墨和糊剂。例如，这些经涂覆的基材用于制备燃料电池用电极或膜电极组件。

用于催化剂油墨的各种组合物从专利文献获知。

因此，EP797265B1描述了产生燃料电池用膜电极组件的油墨。所使用的溶剂是异丙醇和甘油。

US5,869,416描述了碳酸亚烷基酯例如碳酸亚丙酯作为用于催化剂油墨的溶剂。

EP622861B1公开了含烷氧基丙醇或芳氧基丙醇作为有机溶剂的电极油墨。

EP945910A2描述了包含两种不混容的有机溶剂A和B的油墨。作为溶剂A，使用一元或多元醇、二醇、二醇醚醇、二醇醚和其混合物。溶剂B是非极性烃或稍有极性的溶剂。没有描述叔醇。

EP309337A1公开了含醇和水的电极油墨。离子聚合物溶于水和乙醇，或异丙醇的混合物中。

EP785588A2描述了含可升华孔隙形成剂的电极油墨。环己醇用作醇类溶剂。

EP731520A1揭示了含催化剂、离子聚合物和溶剂的油墨，其中水用作溶剂。该油墨除了离子聚合物之外不包含其它有机组分。

另外，EP945910A2公开了含线性二醇(例如乙二醇、丙二醇)和水的催化剂油墨。

WO2004/054021描述了包含极性质子惰性有机溶剂的油墨。

含伯和/或仲醇(例如链烷二醇、二醇或glyercol)作为溶剂的油墨具有固有的缺点；具体来说，它们具有不令人满意的稳定性。这些伯或仲OH基在催化剂存在下在油墨中逐渐地反应并且在大气氧存在下(即使存在痕量)会受到氧化侵蚀或降解。它们可以以这种方法进一步氧化成，例如，醛、酮和羧酸。这种氧化过程可能导致油墨中产生各种降解产物。

链烷二醇的氧化降解从文献获知。在这种情况下仲或伯醇基首先受到氧化。在其它阶段中，这些中间体然后可以氧化成，例如，草酸(C₂H₂O₄)、乳酸(C₃H₆O₃)、丙酮醛(C₃H₄O₂)或丙酮酸(C₃H₄O₃)，并且自动缩合可能最终发生而形成二氧化碳、一氧化碳和乙酸。

在这一分解过程中形成的有机酸与它们的盐类似可能保留在催化剂层中或保留在该催化剂的表面上。它们可能导致催化剂层或膜电极组件的性能恶化并且可能必须通过麻烦的清洗过程从催化剂层上去掉。

另外，所述的氧化过程可能影响催化剂油墨的存储稳定性并且引起在储存过程中油墨的粘度变化。