[发明专利]用于燃料电池应用的催化剂-聚合物液体分散体

说明书

本发明是针对一种对于制造燃料电池的某些部件有用的催化剂- 聚合物液体分散体(LD)。本发明还针对从上述液体分散体(LD)可 获得的一种催化剂涂覆的隔膜前体(CCMP)、一种催化剂涂覆的隔膜 (CCM)以及一种催化性离聚物墨(CII)，针对制造它们的方法并且 针对从所述催化性离聚物墨(CII)得来的一种催化剂涂覆的隔膜 (CCM-CII)。

燃料电池的基本元件是所谓的“膜电极组件”(MEA)。MEA包 括一种隔膜，它是由一种质子传导聚合物构成，并且它的相对面与电 导性和催化活性层(也称作电极层)相接触。所述电极层催化燃料的 氧化作用以及氧化剂的还原作用，并且有助于确保燃料电池内必需的 电导性。

MEA的一个具体类型是二层或通常三层的MEA，也称作“催化 剂涂覆的隔膜”(CCM)，它是由具有附着其上的一个或通常两个电 极层的一种质子传导膜构成。

已经披露了制备CCM的不同方法。

这些方法一般是基于使用催化性墨，这些催化性墨被用来在质子 传导膜的表面上积累电极层(例如通过使用丝网印刷或溶液涂覆)。

现有技术的催化性墨通常是液体或糊状悬浮液或浆液，值得注意 地是通常包括：催化剂颗粒；官能取代的聚合物类，特别是带有离子 官能团的聚合物，也称作离聚物(例如，一种或多种全氟离聚物，像 带有磺酸-SO₃H酸基团的NAFION离聚物)；非官能化的聚合物类(例 如，一种或多种全氟聚合物，像TEFLON聚四氟乙烯)；水与有机化 合物的结合，共同充当悬浮和/或溶解介质。

典型地，上述官能取代的或非官能化的聚合物实现了“粘合剂” 的功能，因为它们被结合在CCM的电极层中以便改进这些层的机械特 性(值得注意地是，该层中催化剂颗粒之间的粘附)以及它们在质子 传导膜表面上的附着性。

官能取代的聚合物类，特别是带有离子官能团的那些(也称作“离 聚物粘合剂”)，一旦结合入该电极层，也可以改进在电极层和质子 传导膜表面之间的界面上的离子传导性，当它用在燃料电池中时同时 改进CCM的亲水性和整体的电化学性能。

现有技术的催化性墨可以通过本领域已知的方法印刷、涂覆、或 粘结至该隔膜的表面上。

然而，仍然有若干问题与此类墨的配制、它们的制造以及它们的 使用相关，并且仍然需要显著的改进。

具体地说，人们所希望的是提供具有降低的黏度的新的催化性墨 以便促进它们在隔膜的表面上的均匀延展同时保持它们的组分(值得 注意地是粘合剂)的稳定和均匀分散，由此避免例如沉降和/或分离现 象。

还令人希望的是悬浮的和/或溶解介质尽可能不含有机化合物，这 些有机化合物一般或者是昂贵的、对健康有害的和/或易燃的。

为了配制水性或主要为水性的催化性墨的目的，初看起来，离聚 型聚合物粘合剂似乎比非离聚的和/或非官能化的聚合物粘合剂更让人 感兴趣。然而，即使在这种情况下，经验表明，为了实现离聚物的良 好溶解和/或分散，通常不可能避免有时存在可观量的一种或多种有机 溶剂(例如支链的脂肪醇类)。此外，含有离聚物粘合剂的催化性墨 的制备可能涉及费时并麻烦的程序，值得注意地是因为离聚物粘合剂 必须从它们的官能取代的非离聚物前体开始前期制造(例如，通过多 步骤的水解程序，包括成盐和酸化反应)。

可替代地，离聚物粘合剂的前体可以直接配制成催化性墨，但是， 在这种情况下，非水性或主要为非水性的有机悬浮的和/或溶解的介质 通常需要实现令人满意的分散和/或溶解程度。

当然，所希望的墨应该尽可能是化学稳定的。

特别地，该墨的悬浮和/或溶解介质应当与官能取代的粘合剂的官 能团不发生反应，由此有助于保持最终MEA的离子传导性。

最后但并非最不重要的是，此类催化性墨的制备应是尽可能简单 并有成本效益。

专利US 5,330,860试图解决某些上述问题。特别是它描述的催化 性墨值得注意地包括官能取代的粘合剂，例如全氟磺酰基氟化物聚合 物或全氟磺酸聚合物。此类墨据说是具有，值得注意地，有限的粘度 同时有效地使粘合剂悬浮或溶解而不与其官能团相互作用。

然而，根据US 5,330,860，这些粘合剂是以烃溶剂的溶液(在磺 酰基氟化物聚合物的情况下)或以醇和水的溶液(在磺酸聚合物的情 况下)提供的。