[发明专利]非晶质含氟聚合物的电化学应用

说明书

发明领域

本发明的目的在于非晶质含氟聚合物在电化学应用场合中，特别是在燃料电池中的应用。

发明背景

氢和甲醇燃料电池是新能源技术研究中的极其重要的课题，例如，可参阅乌尔曼化工大全第5版12A卷第55以下各页，VCH，纽约，1989年。在开发这些燃料电池中的一项研究，是使用与催化剂层和气体扩散衬里(GDB)层相组合的固态聚合物电解质薄膜，以形成膜状电极组件(MEA)。催化剂层典型地包含磨成细粉的金属例如铂、钯、或钌，或者是一种以上的金属组合物例如铂-钌，或者是金属氧化物例如氧化钌，它们通常与粘结剂相混合。在氢燃料电池中，这种催化剂通常以碳为载体；在甲醇燃料电池中，这催化剂通常没有载体。这气体扩散衬里典型地是甚多孔碳薄片或纤维。作为这类电池的实例，请参阅耶格尔等人的US 4,975,172。

氢和直接式甲醇燃料电池的一个共同问题是，对由于过多的水引起的液泛的敏感度，这就会在反应物中和/或产品流中造成质量传递限制，并由此破坏了这种燃料电池的性能。将含氟聚合物引入这催化剂层和气体扩散衬里中，以使别的亲水结构具有一定程度的疏水性，这已成为普遍的作法，一个实例是使用聚四氟乙烯(PTFE)或其与六氟丙烯或全氟乙烯醚的共聚物(参看布兰恰特的US 4,447,505，本文中所引入的耶格尔和塞皮科等人的US 5,677,074)。

为了达到耐久性，均匀性和结构完整性的目的，通常必须烧结如此使用的含氟聚合物。现有技术的含氟聚合物的晶体熔点显示出远远超过200℃，故而使得烧结必须在高于300℃的温度下进行。与此有关的加热循环是长的和复杂的。此外，高温会使MEA的其它组合物的性能降低，故在实践中要求在MEA组装之前进行烧结。一个典型的烧结循环示意地说明于图1上。

以下公开内容可能与本发明的各个方面有关，并可简括如下：

本文中所引入的塞皮科公开了一种具有催化剂层的多孔气体扩散电极，在该催化剂层中含有最佳15-30％的PTFE。这样得到的催化剂层，在与SPE薄膜组合之前，在惰性气氛中加热至380℃。

麦克劳德的US 4,215,183公开了一种诸如燃料电池的电化学电池，这种燃料电池包括离子交换膜电解质和粘结在该膜表面上的催化电极，在该氧化电极上装有防湿炭纸集电器。含有20-35mg/cm²PTFE的防湿导体在590-650°F温度下进行烧结。其公开内容还有一种在形成MEA之前同样地进行烧结的催化剂组合物，其中15-30wt％的PTFE颗粒与该催化剂颗粒相渗合。

威尔逊的US 5,234,777公开了一种在固态聚合物电解质(SPE)薄膜和多孔电极衬里之间，引入一层薄催化剂层的气体反应燃料电池。这催化剂层优选厚度约小于10μm，其中含有以碳作载体的铂催化剂，填充量约小于0.35mg Pt/cm²。这膜片采用将一种油墨散布并使其凝固在脱膜坯件上的方法形成。然后将这凝固了的膜片传送到SPE膜上并热压到其表面上，从而形成具有受控厚度和催化剂分布的催化剂层。另一种形成催化剂层的方法是，将Na⁺型全氟磺酸盐离子交联聚合物直接涂在薄膜上，使这膜片在高温下干燥，然后使这膜片背面转变成质子型离子交联聚合物。这催化剂层具有充分的透气性，因此电池的性能不受影响，并具有有效的度和颗粒分布，以使质子能最佳地接近催化剂和使用催化剂上发生的半电池反应所产生的电子流的电子连续性最佳。

富士塔等人的日本专利02007399公开了一种类似于本文中所引入的威尔逊的方法，只是在催化剂组合物中包含有PTFE，和沉淀在SPE膜上的催化剂层是在100℃下完成的。在上述条件下，遗留在这组合物内的PTFE呈离散粉末颗粒，而这PTFE很容易被冲洗下来或者就在使用过程中落下。

耶格尔等人的US 4,975,172公开了气体扩散电极和气体发生或自耗电化学电池。这电极包括在电子传导的和在电化学上活性多孔的物体，它限定了相应的气体和电解质接触表面，以及包括覆盖电解质接触表面的离子交联聚合的电子传导气密层。这气密层包括直接涂在电解质接触表面上的亲水离子聚合物和覆盖在这聚合物层上的亲水离子交换树脂膜。

本发明提供了一种耐久的，均匀的和具有良好的结构完整性的MEA，它利用一种不要求对引入其中的含氟聚合物在不希望的高温下进行长时间复杂烧结的方法制造。

发明概述