[发明专利]聚合物分散体和电催化剂油墨

说明书

本发明涉及聚合物分散体、电催化剂油墨和及其制备方法。此外，本发明涉及所述聚合物分散体或电催化剂油墨在制备应用于燃料电池和其它电化学装置中的催化剂层结构中的用途。

燃料电池是包含由电解质隔开的两个电极的电化学电池。燃料例如氢气或甲醇被供给到阳极，氧化剂例如氧气或空气被供给到阴极。电化学反应在电极处发生，并且燃料和氧化剂的化学能被转化为电能和热。

在质子交换膜(PEM)燃料电池中，电解质为固体聚合物膜，其是电绝缘的但为离子传导性的。典型使用的是例如基于全氟磺酸材料的那些质子传导膜，并且在阳极处产生的质子被传送穿过膜到阴极，在那里它们与氧气结合产生水。

PEM燃料电池的基本组分被称为膜电极组件(MEA)并且基本上由五层组成。中心层是聚合物膜。在该膜的任一侧上是电催化剂层，其典型地包含铂基电催化剂。电催化剂为提高电化学反应速率的催化剂。最后，邻近每个电催化剂层的是气体扩散材料。该气体扩散材料为多孔和导电的。它允许反应物到达所述的电催化剂层并传导由电化学反应产生的电流。

MEA可以通过几种方法来构建。可以将电催化剂层施用到气体扩散材料来形成气体扩散电极。两个气体扩散电极可以被放置于膜的任一侧并一起层压来形成所述的五层MEA。可选择地，可以将电催化剂层施用到膜的两个面来形成催化剂涂覆的膜。随后，将气体扩散材料施用到该催化剂涂覆的膜的两面。最后，MEA可以由在一侧涂覆有电催化剂层的膜、邻近该电催化剂层的气体扩散材料和在该膜的另一侧的气体扩散电极来形成。

电催化剂层通常包含与电催化剂反应位置相接触的质子传导聚合物。这赋予了从阳极反应位置通过聚合物膜到阴极反应位置的质子的有效传输。在催化剂层中掺入质子传导聚合物可以提高催化剂利用率，即提高了实际参与催化反应的铂基催化剂的比例。催化剂利用率受催化剂、气态反应物和质子传导聚合物之间的三相界面的影响。提高催化剂利用率可以增加MEA的性能(用在给定电流密度下的电池电压来衡量)而无需增加铂基催化剂的量。

一种将质子传导聚合物掺入电催化剂层的方法是制备包含电催化剂、质子传导聚合物和溶剂的电催化剂油墨，并将该油墨施用到合适的基材例如气体扩散材料、膜或转移薄膜上的方法。另外一种将质子传导聚合物掺入电催化剂层的方法是将质子传导聚合物分散体施用到预成型的电催化剂层的方法。EP731520公开了使用电催化剂油墨和/或质子传导聚合物分散体制备电催化剂层的方法，其中在所述油墨或分散体中的溶剂主要是水性的。在工业制造过程中使用水性分散体和/或油墨是令人期望的，因为可以克服与大量有机溶剂的操作和处理相关的问题。

本发明人致力于制备改进的水性聚合物分散体和电催化剂油墨。合适的分散体和油墨可以用来制备具有改进的性能和/或更稳定的性能的燃料电池组分。

因此，本发明提供在液体介质中的包含一种或多种质子传导聚合物材料的聚合物分散体，其中在所述液体介质中的有机组分的总量不超过10wt％，特征在于该聚合物分散体进一步包含质子酸。

此外，本发明提供在液体介质中的包含一种或多种电催化剂材料和一种或多种质子传导聚合物材料的电催化剂油墨，其中在所述液体介质中的有机组分的总量不超过10wt％，特征在于该电催化剂油墨进一步包含质子酸。

本发明人已经发现，当与使用现有技术方法制备的聚合物分散体和电催化剂油墨所生产的膜电极组件相比较时，使用本发明的聚合物分散体和电催化剂油墨制备的膜电极组件具有改进的性能和/或更稳定的性能。另外，本发明的分散体和油墨的流变性能明显不同于现有技术分散体和油墨的流变性能，这可以允许开发改进的电催化剂层的制备方法。

JP2005123106公开了包含质子酸的催化剂油墨。但是，本发明人认为JP2005123106的催化剂油墨不是水性油墨并且所述的液体介质包含大量的有机组分。添加酸到有机油墨将不会对该油墨的性能产生如本发明的发明人已经发现的对水性油墨的性能所产生的相同的影响。

在分散体和油墨中的质子传导聚合物材料包含酸性基团，但是所述的质子酸是另外的酸性组分。术语“质子的”仅仅用来确定该酸是质子给体，即布朗斯台德酸。质子酸并非聚合材料并且合适的是无机酸例如硝酸或硫酸，并优选硝酸。