[发明专利]制备涂覆有催化剂的膜的方法

说明书

本发明涉及一种制备用于燃料电池或电解电池的膜的方法，其中(i)将包含含贵金属的负载型催化剂和离聚物的液体涂覆组合物施加在包含离聚物的聚合物电解质膜上，其中所述液体涂覆组合物的离聚物和所述聚合物电解质膜的离聚物各自为包含作为单体的氟乙烯和含磺酸基团的氟乙烯基醚的共聚物，(ii)将经涂覆的聚合物电解质膜加热至178℃至250℃的范围内的温度。

本发明涉及一种制备用于燃料电池或电解电池的涂覆有催化剂的膜的方法。

PEM燃料电池或电解电池的膜-电极单元包含聚合物电解质膜(“PEM”)，在该聚合物电解质膜的正面和背面(即其阳极侧和阴极侧)上各自施加有含催化剂的层和导电的、多孔的气体扩散层(例如以碳纸或碳纤维织物的形式)。

例如可首先在气体扩散层上施加含催化剂的层，并且随后将该涂覆有催化剂的气体扩散层与聚合物电解质膜压合以获得膜-电极单元。替代性地，可首先将含催化剂的层施加到膜上，并且随后将经涂覆的膜与气体扩散层连接起来。例如参见B.Bladergroen等人所著的“Overview of Membrane Electrode Assembly Preparation Methods for SolidPolymer Electrolyte Electrolyzer”，2012，DOI：10.5772/52947。

此外已知的是，可通过(i)将含催化剂的组合物直接施加到膜上或替代性地通过(ii)所谓的贴花法来制备涂覆有催化剂的膜，其中首先将含催化剂的层施加到载体膜或贴花膜上，并且随后通过压力和足够高的温度从贴花膜转移到膜上。S.H.Akella等人在Scientific Reports，Vol.8，文章编号12082，2018，(DOI：10.1038/s41598-018-30215-0)中研究了贴花法中不同转移膜对膜-电极单元特性的影响。

在涂覆有催化剂的膜首次运行时，通常不能提供其全部性能。这只会随着时间的推移而发展。为此，使用所谓的活化程序(英文：“break-in”或“conditioning”)。然而，这些是耗时的，并且需要投入资源。

US 2017/271693 A1描述了一种用于燃料电池活化的方法，其中高电流强度的循环伏安脉冲被重复地施加到燃料电池上。

US 9,735,441 B2描述了一种制备涂覆有催化剂的膜的方法，其中将含催化剂的油墨直接施加到膜上，然后通过压力和温度处理(345-10342kPa；130-146℃)在膜上获得非常薄的催化剂层。PEM燃料电池分为低温和高温燃料电池。NT-PEM燃料电池通常包含含磺酸基团的氟化聚合物作为离聚物，并且可在高达约80℃的温度下运行。用于PEM燃料电池的含磺酸基团的氟化离聚物例如由A.Kusoglu和A.Z.Weber在Chemical Reviews，2017，117，第987至1104页中进行了描述。HT燃料电池包含例如磷酸作为电解质和碱性聚合物例如聚酰亚胺作为基质，以结合酸。HT-PEM燃料电池例如在130℃至220℃的范围内的温度下运行。由于强无机酸的存在，可导致催化剂材料降解(例如其上分散有贵金属的载体材料)。

WO 2007/028626 A1描述了一种用于调节膜-电极单元的方法，其中膜包含磷和/或硫的无机氧酸和碱性聚合物(特别是聚苯并咪唑)。在将聚合物电解质基质和电极层压成膜-电极单元之后，在60℃至300℃的温度范围内进行调节。

本发明的目的在于，尽可能高效地制备一种用于燃料电池或电解电池的涂覆有催化剂的膜，其中该膜在首次运行时应该已经显示出高的性能，从而可省去复杂的活化处理或至少在处理范围方面有所缩减。

该目的通过一种制备用于燃料电池或电解电池的膜的方法来实现，其中

(i)将包含含贵金属的负载型催化剂和离聚物的液体涂覆组合物施加在包含离聚物的聚合物电解质膜上，从而得到在其正面和/或背面存在含催化剂的层的经过涂覆的聚合物电解质膜，其中所述液体涂覆组合物的离聚物和所述聚合物电解质膜的离聚物各自为包含作为单体的氟乙烯和含磺酸基团的氟乙烯基醚的共聚物，