[发明专利]催化组合物、其制备方法、其用于制造燃料电池电极的用途以及具有其的燃料电池

说明书

本发明涉及用于制造燃料电池电极（12）的催化组合物（20）。所述组合物（20）包含颗粒形式的催化活性材料（22），例如铂，涂覆有第一离聚物（27）的碳纳米材料（26），以及催化活性材料（22）和经涂覆的碳纳米材料（25）以分散形式存在于其中的粘合剂组合物（24），其中该粘合剂组合物（22）包含第二离聚物，并且第一与第二离聚物是相同或不同的。所述组合物（20）用于制造燃料电池（10）的燃料电池电极的催化层（12a、12k）。

本发明涉及用于燃料电池电极的催化组合物、其制备方法及其用于制造燃料电池电极，特别是经催化涂覆的膜或气体扩散电极的用途。本发明还涉及具有可由该催化组合物制成的催化层的燃料电池。

燃料电池利用燃料与氧气产生水的化学反应，以产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜-电极-组合件（MEA表示膜电极组合件）作为核心组件，其是由离子传导性（通常是质子传导性）膜和各自布置在该膜两侧的催化电极（阳极和阴极）形成的结构。后者主要包含经负载的贵金属，尤其是铂。另外，气体扩散层（GDL）可以在膜-电极-组合件两侧布置在电极的背离膜的那些侧上。通常，燃料电池由多个布置在堆叠体（堆）中的MEA形成，这些MEA的电功率相加。在各个膜-电极-组合件之间通常布置双极板（也称为流场板或隔板），其确保向单电池供应工作介质，即反应物并且通常还用于冷却。另外，双极板确保与膜-电极-组合件的导电接触。

在燃料电池运行期间，燃料（阳极工作介质），特别是氢气H₂或含氢气体混合物通过双极板的阳极侧开放流场输送到阳极，在此处H₂发生电化学氧化产生质子H⁺并释放电子（H₂ 2H⁺ + 2e^-）。通过电解质或将反应空间以气密方式彼此隔开和电绝缘的膜，实现质子从阳极空间至阴极空间的（结合水或无水的）运输。在阳极提供的电子通过电线引导到阴极。通过双极板的阴极侧开放流场将氧气或含氧气体混合物（例如空气）作为阴极工作介质输送到阴极，以使得O₂发生还原产生O^2-并吸收电子（1/2 O₂ + 2e^- O^2- ）。同时，在阴极空间中氧阴离子与穿过膜运输的质子反应以形成水（O^2- + 2H ⁺ H₂O）。

燃料电池中的催化电极大多以催化涂层的形式存在。在聚合物电解质膜上的涂层的情况下，也称为经催化涂覆的膜（CCM表示经催化剂涂覆的膜）。如果涂层布置在扩散层上，则其也称为气体扩散电极。通常将催化层作为悬浮体（催化剂墨）施加到相应的基材上，该悬浮体具有催化活性材料，即催化贵金属，其以负载在导电碳材料上的形式存在。还已知将聚合物离聚物作为粘合剂添加到悬浮体中并改进电子运输。在施加到基材上之后，将涂层干燥，以使得所得的催化层（CL表示催化剂层）由经负载的催化活性材料和离聚物组成。

由US 2004/185325 A1已知用于制造燃料电池电极的方法，其中将催化活性材料、碳以及离聚物从气相共沉积在基材上。该基材是聚合物电解质膜或碳载体。

US 2016/156054 A1描述了用于燃料电池的两层催化层，其中朝着扩散层的子层由涂覆有第一离聚物的催化剂颗粒组成，并且与其紧贴的膜附近的子层由第二离聚物颗粒组成。

US 818026 B2描述了不同当量质量的两种离聚物用于燃料电池电极中的用途。

EP 2882017 A1描述了燃料电池电极的制造，其中碳纳米管（CNT）在基材上生长，催化剂沉积在CNT上，随后用离聚物涂覆CNT和催化剂。将由此制成的组合物转移到聚合物电解质膜上，以由此获得经催化涂覆的膜（CCM）。

US 7771860 B2公开了用于燃料电池的具有核壳结构的催化剂组合物。碳核涂覆有由颗粒形式的催化材料制成的“壳”，该催化材料通过离聚物与碳核结合。所述制造是通过将碳颗粒、催化材料和离聚物混合而实现的。