[发明专利]用于气体扩散电极的结构

说明书

技术领域

本发明涉及用于电化学应用的气体扩散电极结构和气体扩散电极 背衬，和涉及用于生产所述的气体扩散电极结构和气体扩散电极背衬 的方法。

背景技术

气体扩散电极越来越多地应用于电化学应用场合中，例如燃料电 池和电解槽，特别在那些利用离子交换膜作为隔板和/或电解质的应用 场合中。气体扩散电极(同样称作“GDE”)通常由作为载体的织网，在 载体的一面或两面上施加的也称为气体扩散介质(同样称作“GDM”) 的涂层，和在GDM之上的催化剂组成。该涂层具有若干功能，其中最 重要的是提供用于水和气体传输和传导电流的通道。涂层，特别最外 面的涂层，也可以具有附加功能，例如催化电化学反应和/或提供离子 导电，特别当它们用于与离子交换膜直接接触时(删去)。对于大多数应 用场合，希望具有涂有导电层的多孔导电的织网(例如碳布，碳纸或金 属网丝)。同样希望用于水传输的通道和用于气体传输的通道是分离的 通道，特征在于不同的疏水性和孔隙率。

本领域已知GDM可以有利地设有两个不同的层，具有不同特性 的内部和外部的涂层：例如，US 6,017,650公开在膜燃料电池中使用的， 利用高度疏水的、涂有更亲水的催化层的GDM。

US 6,103,077公开了利用工业涂层机，自动制造这种类型的气体 扩散电极(GDE)和电极背衬的方法。在引用的文献中，涂层由碳粒子和 疏水粘结剂例如聚四氟乙烯的混合物组成，得到具有不同特性的扩散 和催化层的方法包括在双层中使用不同的相对量的碳和粘合材料和/或 使用两种不同类型的碳。

此外，具有不同孔隙率的双层的GDM是本领域熟知的：DE 19840517′，例如，公开了由具有不同孔隙率的两种亚构件组成的双层 结构。令人惊讶的，具有更高孔隙率和透气性的层是和膜接触的层， 而较少孔和渗透性的层是接触织网的层。事实上，通常理解希望的孔 隙梯度应该提供渗透性较低的用于和膜接触的层结构，例如对于公开 的WO 00/38261的催化层。尽管在此情况下，在GDM中不能获得孔 隙性的梯度，但仅在与离子交换膜直接接触的非常薄的亲水催化层中 能获得孔隙性的梯度，一般教导是对于气体加料电极结构一侧希望较 低的多孔性，所述的气体加料电极结构必须与被认为是本领域常识的 膜电解质连接。

这种类型的双层气体扩散结构在大多数应用场合中显示出充分的 性能；然而，有一些关键的应用场合，其中现有技术的气体扩散器结 构不能充分满足气体和水的传输要求。

特别关键的应用场合包括例如在相对高温(接近于或高于100℃) 下操作的膜燃料电池，和氧去极化的盐酸水溶液电解槽，特别是，如 果在高电流密度下操作，或如果利用空气或其他含贫氧的混合物而不 是纯氧去极化。在这些情况下，通过简单的双层气体扩散结构不能获 得最优的气体/液体传输和水的控制。

当这种GDE用于直接甲醇燃料电池(同样称作“DMFC”)中时， 现有技术气体扩散电极结构的上述及其他的问题变得更加严重。

在DMFC中，GDE的功能，例如作为阳极，将允许甲醇以高速发 生电化学氧化，同时使甲醇到阴极侧的穿越减到最少。甲醇到阴极侧 的穿越导致在阴极表面上出现甲醇氧化和氧的还原。这导致预定的电 化学反应的“短回路”，并导致将有效的电能转变为废热。在DMFC 中另外的问题是由于甲醇穿越，例如作为阴极的GDE被注满。这种注 满还由于在阴极处水的聚集变得更加严重。这种由于水和/或甲醇的注 满阻止了氧扩散通过GDE，并导致GDE性能的损失。

用于DMFC的GDE是已知的，并被分成两个种类：

(1)涂敷催化剂的膜类型(CCM)；其中在聚四氟乙烯片上形成阳极 催化剂贴花膜，该贴花膜通过热压工艺转印到膜上(见，S.C.Thomas，X. Ren，S.Gottesfeld，J.Electrochem.Soc，146，4354(1999)and M.S. Wilson and S.Gottefeld，J.Electrochem.Soc，139，28(1992)和

(2)催化的GDL，其中催化剂层施加到预先制造的气体扩散层或 介质上(见，B.Gurau，E.S.，Smotkin.J.Power Sources 112，339(2002)。

发明内容