[发明专利]含催化剂电极层的制备方法

说明书

本发明涉及用于在基材上生成含催化剂电极层的方法，该含催化剂电极层特别为用于燃料电池或其他的化学或电化学反应器的催化剂层。

这样的含催化剂电极层或催化剂层是所有类型的燃料电池的所谓的膜-电极-单元的重要组成部分，在电解槽(Elektrolyseuren)、变换器或通常在其他的化学或电化学反应器中也需要这样的含催化剂电极层或催化剂层。例如燃料电池的膜-电极-单元由如下的夹层结构组成，该夹层结构包括形成阴极的第一电极层、膜以及位于其上的形成阳极的第二电极层。燃料电池的膜-电极-单元的两侧分别设置了所谓的气体扩散层，当燃料电池运行时，通过该膜-电极-单元的气体扩散层可以输入所需的燃料(例如甲醇或氢)以及输出电化学燃料转化时产生的产物。此时在电极的区域中，需要用于促进燃料转化的催化剂的存在以及尽可能最优化的分布。由于阳极和阴极有不同的要求，所涉及的电极层可以使用不同的催化剂。

在一已知的含催化剂电极层的制备方法中，涉及使用所谓的携带的催化剂颗粒，该催化剂颗粒和其他组成成分混入用于制备电极层的糊料中。携带的催化剂颗粒通常通过用作载体颗粒的碳颗粒形成，在其上至少部分沉积催化剂材料-例如借由化学沉积方法。为此首先制备包括载体颗粒和催化剂前体的溶液。接着催化剂前体以合适的方式分解，由此所释放的催化剂材料最终沉积在载体颗粒上。但是，这样的合成的携带的催化剂在生成电极层用的糊料中的应用是有缺陷的。特别是针对由相应的糊料制备的电极层，所沉积的催化剂不仅仅只位于电极层内部实际上需要催化剂的位置处-其最终导致非常昂贵和非高效率地-以及因此非经济地-电极层的装料(Beladung)将涉及部分不能使用的催化剂材料。该缺点在较大面积的电极层时尤其显著。

虽然原则上使用携带的催化剂具有优势，例如由于可能制备催化剂用的非常高活性的面积，进一步开拓了其他用于制造含催化剂电极层或催化剂层的新方法，其中部分现在也属于最好的技术。

例如在US 5,084,144、DE 19720688C1、EP 1307939B1或EP 1391001B1中在多种变化方案中记载了电化学沉积的方法。根据最后两个所引用的欧洲专利中的方法，首先在膜上制备包含呈催化剂前体(例如包含催化剂的盐)形式的催化剂材料的前体层，随后以电化学方式即从外部提供电流、电压或电场沉积其中的催化剂。由此可以显著减小大多非常昂贵的所用催化剂的需要量，因为电化学沉积过程有利地仅在所谓的三-相-边界的区域发生，在该边界处，除了存在和输入燃料电池中的方法介质的接触外，也存在导电性和导离子性-这对于燃料电池的运行时燃料转化的效率或者其他的化学或电化学反应器的效率是最优化的。但是缺点是高装置费用，其中特别是必须在合适的样本腔室中实现电接触待制备的层。另外在电化学沉积方法期间膜必须以合适的方式(例如借由水或水蒸气)保持湿润，以此保持该膜中沉积过程所需的导电性程度。

同样已知的所述方法的进一步发展记载在WO 2008/104322A2中。在该方法中，首先制造结构化的电极层，接着-仍是电化学地-沉积催化剂在结构化的层包含的用作催化剂的载体的碳颗粒上。然而在电化学沉积过程期间确保膜具有合适的导电性以及提供外部电压、外部电流或通过合适手段制造的电场是实施所述方法的强制性前提条件。另一已知的制备含催化剂电极层的方法可见自然科学文献中。例如Qiao等人记载在文献“Evaluation of a passive microtubular direct methanol fuel cell with PtRu anode catalystlayers made by wet-Chemical processes”(Journal ofthe electrochemical society,2006,Vol.153,pp.A42-A47)中用于制备阳极催化剂层的方法，其通过浸渍膜和后续化学还原浸渍在膜中的催化剂前体。最终在膜上和膜内部制备了携带的催化剂，就活性表面与催化剂需要量的比例以及对于方法介质沉积的催化剂的可进入性方面，该方法被证实是有缺陷的。

另外已知的用于催化剂合成的方法已知有概念“浸渍方法”或“Method of impregnation”，其中催化剂载体，其大多为合适的工业炭黑，和含水的包含催化剂前体的溶液混合，从而使得催化剂载体的表面可以利用催化剂前体进行覆盖。随后，经消耗的溶液(verarmte)或者被过滤或者被蒸发，之后通过化学还原作用制造携带的催化剂。因此在此也仅制造了携带的催化剂，其-已在本文开始处提及-混入合适的电极层糊料中。这也将会引起催化剂在整个电极层内部不经济的分布。