[发明专利]用于碱性膜燃料电池的催化剂涂层膜(CCM)和催化剂膜/催化层及其制备方法

说明书

相关申请

该申请涉及于2009年2月23日提交的美国临时申请第61/154,622号，要求优先权，通过引述全部并入本文中。该申请也涉及于2009年6月3日提交的美国专利申请第12/477,669号，通过引述全部并入本文中。

发明领域

本发明提供了一种使用银阴极催化剂设计的碱性膜燃料电池。

发明背景

原则上，碱性膜燃料电池可以在无需补充液体电解液的情况下工作，从而充分依靠水合、阴离子导电膜的离子电导率传导氢氧根离子(OH-)。对比液体电解质基燃料电池，无液体电解质操作模式拥有强大优势，如广泛选择采用质子导电膜电解质的质子交换膜燃料电池技术所示。对比建立和发展的质子交换膜燃料电池技术，使用非昂贵的铂族金属的催化剂，采用廉价的金属制品，碱性膜燃料电池(AMFC)具有巨大优势。示范性的AMFC在上述于2009年6月3日提交的美国专利申请第12/477,669号中进行了描述，转让给本发明的同一受让人。另一方面，OH-离子导电聚合物证实了有限的离子导电性，而使用OH-离子导电聚合物为AMFC带来了一个巨大的挑战。此外，离子电导率对操作AMFC的水位具有高灵敏度也带来了另一个挑战。离子电导率的挑战尤其表现在两个催化层的组合物和制造模式上，催化层结合膜电解质的主要表面形成催化剂-涂层膜(CCM)。AMFC设计在这些组合物和制造方面的挑战更加严峻，因为催化层内有效的特异性离子导电性，通常情况下，比膜电解液低一个数量级。这是因为催化层的离子材料只填充了其总量的一部分。此外，离子网络形态的精确细节是催化剂和离聚物材料混合的结果，当需要高催化剂利用率时，决定是否离子网络能够使有效离子通过催化层厚。

图1包括由离子导电聚合物/离聚物10(阴影部分)和金属催化剂颗粒12(球)的混合物所形成的现有技术催化层，金属催化剂颗粒12布置在多孔碳气体扩散层14(GDL)和电池膜(膜)16之间的催化层中。可以预期，在一个理想的催化剂微观结构中，金属催化剂12和离聚物10的共居网络，如图1所示，每一个都提供了通过催化层厚度尺寸的良好的连通性，以及离子能有效地进入大部分催化剂部位。如图1所描绘的，离聚物体积分数相对较高。因此，可以预期，至少原则上，在这种催化层中具有有效离子电导率。基于催化剂混合中的高分率的再铸离聚物，这种催化层反映了AMFC催化剂方面提高离子电导率的现有技术水平。然而，图1所示的催化剂结构可能具有明显的缺点。例如，高体积分数的离子材料10易于与金属催化剂颗粒12彼此分离开，如图20和22箭头指出，使得沿气体扩散层14的一侧，催化剂颗粒电子接触电子电流的效果就会大打折扣。结果表明，这些催化剂颗粒12可能完全处于非活动状态。

此外，过剩的再铸聚合物电解质10的硬表面24将易于形成在催化层的两个主要表面上，如图1所示。从而，硬表面24可以确定催化层与薄膜以及催化层与气体扩散层14的界面的本质。这种界面硬表面24的一个潜在问题是催化层活性部位内的水位或水化状态可由这些界面硬表面24的水分传输和持水量特征来确定。举例来说，AMFC阴极催化层和碱性电解质膜16之间形成的离聚物硬表面24的变干可能减缓催化层的再水化率，作为有效地使含催化剂部分层再水化的先决条件，硬表面24需要再水化。催化层与气体扩散层界面处的过量离聚物会引起气体扩散层和金属催化剂颗粒之间的高电子电阻，从而潜在导致电子断开。

从这些观察和论据可得出一个结论，为获得高质量工作的AMFC阴极，最佳体积分数的OH-离子导电离聚物是微调催化剂油墨制备和应用的客观基础和目标。这个目标证实难以实现。发表日期的相关报道公开了最大功率密度，具有铂(Pt)催化剂的H₂/O₂AMFC的最大功率密度是100-200mW/cm²。重要的是，一旦一种非贵金属催化剂替代铂阴极催化剂，迄今取得的最大AMFC功率密度约为50mW/cm²。应了解，相比铂催化的PEMFC，具有铂催化剂的AMFC的相对低性能是再铸离聚物中相对较低的离子(OH-)电导率的结果，再铸离聚物用作AMFC催化层中的粘接剂和离子导体。迄今报道的无铂催化剂的低催化活性进一步加剧了离子(OH-)导电离聚物的较低导电性。迄今获得的较低的AMFC性能严重怀疑减少了实现使用非铂催化剂的中央AMFC优势的能力。