用于燃料电池的含胺的催化剂油墨制造技术

本发明专利技术涉及一种用于生产聚合物电解质燃料电池用膜电极组件的催化剂油墨，该催化剂油墨除典型的组分：催化剂材料、酸性离聚物和溶剂外，还包含添加剂组分，该添加剂组分包含至少一种含有至少两个碱性氮原子的低分子量有机化合物。本发明专利技术进一步涉及一种生产该催化剂油墨的方法及其在生产聚合物电解质燃料电池用膜电极组件中的用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于燃料电池的含胺的催化剂油墨本专利技术涉及催化剂油墨，生产它们的方法及其用途，尤其是在生产用 于聚合物电解质燃料电池和聚合物电解质膜电解的膜电极组件中的用途。在燃料电池中，燃料借助氧化剂在两个电极在分开的位置转化为电力、 热量和水。作为燃料，可以使用氢气或富含氢的气体以及液体燃料如甲醇、 乙醇、甲酸、乙二醇等，而氧气或空气用作氧化剂。在燃料电池中能量转 化过程具有高效率。因此，燃料电池具有日益增加的重要性，尤其是与电动机组合以代替常规内燃机。由于聚合物电解质燃料电池(PEM燃料电池) 紧凑的结构和功率密度，其特别适用于机动车辆。通常而言，PEM燃料电池由膜电极组件(MEA)堆叠制成，在膜电极组 件之间配有用于提供气体并传输电流的双极板。MEA通常由聚合物电解质 膜制成，在该膜两侧均配有催化剂层(催化剂涂覆的膜，CCM)，在每种情 况下向该催化剂层施加气体扩散层(GDL)。上述催化剂层之一作为阳极用 于氧化氢气，上述催化剂层中的另一个作为阴极用于还原氧气。气体扩散 层通常由碳纤维纸或碳非织造物制成且具有高孔隙率，以使这些层允许反 应气体易于接近催化剂层且使得电池电流可易于输走。为了得到聚合物电解质膜和通常在两侧(阳极和阴极)施加的催化剂层 之间非常良好的结合且阳极和阴极与膜非常良好的接触，催化剂层通常以 催化剂油墨的形式施加至膜，该催化剂油墨通常由电解催化剂、电子导体、 聚电解质和溶剂制成。催化剂油墨在现有技术中是已知的。为得到具有改进性能的催化剂油 墨，已经进行了许多尝试。M.Uchida等，J. Electrochem. Soc.， 142(1995)， 463-468改变了许多 形成催化剂油墨的基础的溶剂。这些溶剂包括简单的酯类、醚类、丙酮类 和酮类、胺类、酸类、醇类、甘油类和烃类。EP-A 0 731 520建议使用基本不含有机成分的水性液体作为溶剂。EP-A 1 536 504建+义一元和多元醇，二醇类如二醇醚醇和二醇醚作为 用于催化剂油墨的有机溶剂。才艮据EP-A 1 176 652，尤其是线性二醇据说是除水外还适合的溶剂组分。WO-A 2004/098773公开了催化剂糊(其为催化剂油墨的另 一称谓)，其 包含基础聚合物以粘接常用于催化剂油墨的乙酸类离子交换剂，以实现粘 度显著增加。所建议的基础聚合物为聚氮丙啶以及包含诸如吡啶、4-乙烯 基吡啶、2-乙烯基吡啶或吡咯的单体单元的聚合物。然而，此处的缺点为 !^出聚合物不可或仅可不完全地从电极层上除去，因此酸性聚合物的部分 B保持阻碍。尽管存在得到具有改进性能的催化剂油墨的许多尝试，仍存在提供与 现有^L术相比显示至少一些改进性能，尤其是在油墨增稠、其内聚和与基材的粘合以及铺展和干燥行为方面的改进性能的替代催化剂油墨的需求。 因此，本专利技术的目的是提供具有上述改进性能的催化剂油墨。 该目的通过一种用于生产聚合物电解质燃料电池用膜电极组件的催化剂油墨实现，该催化剂油墨包含-包含至少一种催化剂材料的催化剂组分-包含至少一种酸性离聚物的离聚物组分；-合适的话，包含至少一种溶剂的溶剂组分；和-包含至少 一种含有至少两个碱性氮原子的低分子量有机化合物的添加剂组分。令人惊讶地发现，由于有机化合物中的至少两个碱性氮原子，这些氮 原子可与离聚物的^交联，导致油墨增稠和油墨的高内聚以及对膜的粘 合。在干燥过程中，这种交联可避免裂紋。此外，由于油墨和膜表面之间 的酸-碱相互作用，产生了油墨对膜的良好粘合。胺同样可通过用稀酸活化 电极层而完全除去，在聚合物的情况下这最好不完全发生。特别是当有机 化合物具有低沸点时，其也可通过升高温度和/或施加减压而除去。在本专利技术催化剂油墨中，添加剂组分由至少 一种包含至少两个碱性氮 原子的低分子量有机化合物形成。该组分同样可包含这类化合物的混合物。碱性氮原子为伯、仲和叔胺官能的。氮原子可为链或环的结构部分和/ 或可作为官能团连接在这种骨架上，其中该链或环是有机化合物的 一部分 或形成有机化合物。对本专利技术重要的是，存在至少两个这种氮原子以提供对酸性离聚物的 "交联"性能。然而，也可存在大量氮原子。至少一种低分子量有机化合物优选包含至少2个、3个、4个或5个氮原子。至少一种低分子量有机化 合物更优选包含至少2个、3个或4个碱性氮原子。进一步优选包含至少2 个或3个，尤其精确的是2个氮原子的至少一种低分子量有机化合物。优选至少一种低分子量有机化合物的分子量小于500g/mol。如果添加 剂组分由超过一种低分子量有机化合物形成，至少一种有机化合物具有该 性能就已足够。然而，优选添加剂组分的所有低分子量有机化合物具有该 特征。分子量优选小于400g/mol，更优选小于300g/mol，甚至更优选小于 250g/mol，甚至更优选小于200g/mo1，尤其是小于150g/mol。至少一种有机化合物例如衍生于具有4-32个碳原子的饱和或不饱和、 芳族或非芳族、支化或未支化、环状或非环状或部分环状且部分非环状烃， 其中至少两个CH基团由氮原子替代，此外， 一个或多个CH2基团可由氧 或硫替代以及一个或多个氢原子可由囟素替代。这种烃具有至少四个碳原子，其中作为CH基团的这些碳原子中的两 个被氮原子替代。因此，最简单的化合物为1，2-乙二胺(乙二胺)。此外，至 少一种有机化合物优选衍生于具有不超过32个碳原子的烃。在这些碳原子 中的两个^1氮替代之后，烃骨架因此具有30个碳原子和2个氮原子。可以 指出的是，当然可以有超过两个CH基团被氮原子替代。因此，骨架衍生于具有4-32个碳原子的烃。如果至少一种有机化合物 精确包含2个氮原子，则其具有2-30个碳原子。烃优选具有4-22个碳原 子，更优选4-12个碳原子，甚至更优选4-8个碳原子。烃可以是饱和和支化或未支化的。这类烃的实例为链烷烃如正丁烷、 异丁烷、戊烷、2-甲基丁烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、十一烷或 十二烷。6不饱和的支化或未支化非环状化合物例如为链烯烃和炔经或具有c-c双键和/或畚键的烃。实例为l-丁烯、2-丁烯、l-戊烯、2-戊烯、己烯和庚 烯，l-丁炔、2-丁炔、l-戊炔、2-戊炔、己炔和庚炔。 芳族烃尤其为苯、萘和菲。非芳族环状化合物例如为环己烷、十氢萘或类似化合物。当多个CH2基团被氧或硫替代时，不应出现两个相邻CH2基团被替代 的情况。此外， 一个或多个氢原子可被面素替代。此时，卣素为氟、氯、 溴和碘。卣素优选为氟。烃化合物可被单卣化、二卣化、多囟化或全卣化。还优选至少一种有机化合物为其中至少两个CH基团被氮替代的 CrC32链烷烃，或具有至少两个-NR2基团的苯，或具有至少两个-NR2基团 的环己烷，其中基团R各自相互独立地为H或d-C6烷基。链烷烃优选为C4-C22链烷烃，更优选C4-C12链烷烃，甚至更优选C4-C8 链烷烃，其中指数分别表示最少和最多的碳原子数。C广C6烷基是具有l-6个碳原子的烷基，例如曱基、乙基、正丙基、异 丙基、正-l-丁基、正-2-丁基、异丁基、叔丁基、戊基、己基。所述最简单的链烷烃因此为其中两个CH基团被氮替代的丁烷。因此， 最简单的化合物为乙二胺。优选在每种情况下具有两个任选烷基化的氨基的苯和环己烷。此处可 以提及l，2-二氨基苯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生产聚合物电解质燃料电池用膜电极组件的催化剂油墨，该催化剂油墨包含：　－包含至少一种催化剂材料的催化剂组分：　－包含至少一种酸性离聚物的离聚物组分；　－电子导体组分；　－合适的话，包含至少一种溶剂的溶剂组分；和　－包含至少一种含有至少两个碱性氮原子的低分子量有机化合物的添加剂组分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：S塔特，S布罗伊宁格，
申请(专利权)人：巴斯夫欧洲公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]