[发明专利]用于碱性薄膜燃料电池的催化层包覆薄膜的制备

说明书

在AMFC中的CCM的形成中，选择地交联阳极催化层，并且同时阴极催化层没有被交联。该发明已经发现提供了CCM的结构稳定性，并且没有对于没有交联的CCM的初始功率值的损失。

相关申请

本申请要求享有2013年3月13日提交的美国临时专利申请序列号为61/778,921的申请，该申请已通过引用全部并入本文。

技术领域

本发明涉及燃料电池并且特别是碱性薄膜燃料电池，以及用于在燃料电池操作期间使CCM结构稳定化的设备和方法。

背景技术

碱性薄膜燃料电池(AMFCs)技术发展至今已经应用了具有聚{碳氢化合物}骨架的OH-导电聚合物(“离聚物”)。这样的离聚物需要求显著的吸水率从而可获得充分的离子导电性。AMFC的结构和说明已经在例如US 2010/0021777，标题为“Alkaline Membrane FuelCells and Apparatus and methods for Supplying Water Thereto(碱性薄膜燃料电池以及用于向其中提供水份的装置和方法)”的申请中详细阐述，该申请的全部内容已经通过引用形式并入到本文中。

由于吸水率水平增加(可能以重量计超过50％)，离聚物通常丧失机械完整性，从而导致形态学变化以及在某些情况下导致引起电池形成严重损失的完全解体。这些形态丧失的可能性通常在AMFC的阳极侧是高的，在此处的电池操作期间会产生水，按照：

阳极过程:2H2+40H-＝4H20+4e

但是AMFC的阴极运行期间涉及水消耗过程:

阴极过程:02+2H20+4e＝40H-

并且因而不太可能通过过量的液态水积聚从而面对结构型挑战。

为了有助于稳定电池结构，在先申请中的本申请发明人之一已经建议使用交联作为用于在电极/薄膜界面化学连接的方式。所述申请为U.S.公开号.US 2011/0300466，标题为“Chemical Bonding for Catalyst/Membrane Surface Adherence in MembraneElectrolyte Fuel cells(用于在薄膜电解质燃料电池中催化剂/薄膜表面粘附的化学连接)”的申请，该申请的全部内容已经通过引用形式并入到本文中

上述申请表明，将催化层化学连接到OH-离子导电薄膜(membrane)或OH-离子导电薄膜(membranes)的表面上是通过在催化层和薄膜之间界面上的聚合物部分的交联得以实现的。根据上述申请，催化层包覆的高分子薄膜(CM)的阳极侧和阴极侧都可以通过与催化层的聚合物部分交联进行结合，不论是单独在界面还是具有扩展到催化层内的交联。在上述申请的第【0010】和【0016】段中公开了所述交联的方法。

发明内容

本申请在此描述的是，一种用于AMFC的催化层包覆的薄膜(CCM)的综合制备，其中所述AMFC具有可选择在催化层的两侧或者仅仅在CCM的一侧进行交联。所述发明的开始是从全部以前体形态存在的CCM，然后是包括二元胺类应用的氨基化用于交联，并且之后浸入到一种碱中从而产生激活形态的CCM。我们已经发现，当在没有交联的阳极催化层中遗留离聚物时，阳极催化层的选择性交联提供了在电池操作期间CCM结构稳定的有利情况，同时得到初始功率输出至少高达没有交联的CCM所表现出的初始功率输出。

在一个实施方案中，碱性薄膜燃料电池(AMFCs)包括阳极、一种被配制用于传导氢氧根(OH-)离子的薄膜电解质，并且所述薄膜具有界面，该界面与在薄膜的第一表面上的阳极物理接触。AMFC进一步包括一个阴极，该阴极与所述薄膜的相反表面物理接触；阳极和阴极都具有一个催化层，并且在阳极上的催化层的离聚物部分被交联从而得到具有电池功率损失的结构稳定性。