[发明专利]用于直接甲醇燃料电池的具有复合材料、薄膜和薄阴极的改善的催化剂涂覆膜

说明书

发明领域

本发明涉及具有改善的水穿透性能和甲醇穿透性能、优异的功率输出和耐久性的催化剂涂覆膜以及制备这些催化剂涂覆膜的方法，所述催化剂涂覆膜利用复合增强聚合物薄膜层和阴极薄层实现这些性能有益效果。

发明背景

多种电化学电池属于通常称作固体聚合物电解质(“SPE”)电池的电池范畴。固体聚合物电解质电池通常采用阳离子交换聚合物膜，其起到阳极与阴极之间的物理分隔体的作用同时还起到电解质的作用。固体聚合物电解质电池可作为电解电池操作用于制备电化学产品，或者它们可作为燃料电池操作。

燃料电池为转化反应物(即燃料和氧化剂流体流)以产生电流和反应产物的电化学电池。大范围的反应物可用于燃料电池且此类反应物可以气体或液体流递送。例如，燃料流可为基本上纯的氢气、包含重整产品流的气态氢、或含水醇，例如直接甲醇燃料电池(DMFC)中的甲醇。氧化剂可为例如基本上纯的氧气或诸如空气的稀释氧气流。

在固体聚合物电解质燃料电池中，固体聚合物电解质膜通常为酸形式的全氟化磺酸聚合物膜。此类燃料电池常常被称作质子交换膜(“PEM”)燃料电池。膜设置在阳极和阴极之间并与阳极和阴极接触。阳极和阴极中的电催化剂通常诱导期望的电化学反应，并且可为例如承载在基底上的金属黑、合金或金属催化剂，例如碳上的铂。固体聚合物电解质燃料电池通常也包括多孔的导电片材料，其与电极中的每个进行电接触并使得反应物扩散至电极。在采用气体反应物的燃料电池中，这种多孔的导电片材料有时被称作气体扩散背衬或气体扩散层并适当地由碳纤维纸或碳布提供。包括膜、阳极和阴极、以及用于每个电极的气体扩散背衬的组件有时被称作膜电极组件(“MEA”)。如本文所用，“MEA”是指此类包括膜、阳极和阴极、以及用于每个电极的气体扩散背衬的五层结构。将由导电材料制成并为反应物提供流场的板放置在许多相邻的膜电极组件之间。以该方式装配许多膜电极组件和双极性板以提供燃料电池组。

固体聚合物电解质膜不仅物理地居于膜电极组件的中心，而且还要求其执行多种必要的功能以便燃料电池组适当运行且产生既具有可靠性又具有耐久性的电能。

复合聚合物电解质膜为人们所已知，例如在美国专利公开5,547,551中描述了包括基体材料和离子交换树脂的薄复合膜。美国专利公开5,547,551声称未增强的Nafion离子交换膜本身较弱，此外离子交换膜在较薄的厚度处必须用附加材料增强使得最终产品具有增加的厚度。授予Grot的美国专利3,692,569、4,453,991和4,469,744；授予Mallouk等人的美国专利4,902,308、4,954,388和5,082,472；授予Branca等人的美国专利5,094,895和5，183,545；授予Bachot等人的美国专利4,341,615；授予Miyakeet的美国专利4,604,170；授予Ludwig等人的美国专利4,865,925；和日本专利申请62-240627、62-280230和62-280231均由于涉及复合膜结构而在本文中被讨论。

然而，用于上述诸多应用的燃料电池的设计并非通用的努力，并且直接甲醇燃料电池设计也不例外。必须特别注意考虑可能对例如特定的直接甲醇燃料电池应用特有的多种复杂因素。因此，选择用于一种应用的膜可能工作良好，但是会在不同的应用中执行较差。授予Banerjee的共同转让的美国专利公开5,795,668公开了尤其适用于直接甲醇燃料电池的增强膜，并且声称从热力学效率的观点出发，此类燃料电池确立了用于将燃料直接转化为电能的最有利的方法；然而，希望降低燃料通过聚合物膜的所谓“穿透”。

在燃料电池技术中，术语“穿透”是指燃料由燃料电极或阳极侧通过聚合物电解质层不可取地传送至燃料电池的空气/氧气电极或阴极侧。图5为描绘甲醇燃料电池中甲醇穿透和水穿透两者的示意图。在已透过膜之后，燃料电池将蒸发到循环的空气/氧气流中或者与空气/氧气电极处的氧气反应。

燃料穿透由于两个主要原因而降低电池性能。第一，透过的燃料不能起电化学反应，因此直接导致燃料效率损失(事实上为燃料泄漏)。第二，透过的燃料与阴极(通常为空气/氧气电极)反应而降低其操作电位并因此减弱总体电池势能。电池势能的减弱降低特定的电池功率输出并且还降低总体效率。