催化剂涂膜的制备制造技术

提供了一种制备催化剂涂膜的方法。该方法包括将至少一种电催化剂涂料组合物涂布到含聚合物膜的元件上，该聚合物膜具有第一和第二表面以及第一尺寸稳定的临时基底，其中涂料组合物涂布于聚合物膜的至少部分第一表面；干燥电催化剂涂料组合物，以在元件的聚合物膜上形成至少一个第一电极；将第二尺寸稳定的临时基底涂布到至少一个第一电极上；从聚合物膜中除去第一尺寸稳定的临时基底；将至少一种电催化剂涂料组合物涂布于聚合物膜的至少部分第二表面；并且干燥聚合物膜上的电催化剂涂料组合物以形成一种夹层结构，该夹层结构包括至少一个第二电极、聚合物膜，至少一个第一电极和第二尺寸稳定的临时基底。然后可以除去第二尺寸稳定的临时基底以形成具有聚合物膜夹层结构的催化剂涂膜，该夹层结构在第一和第二电极之间。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
催化剂涂膜的制备                      专利
本专利技术涉及一种可用于电化学电池，特别是燃料电池的催化剂涂膜(catalyst coated membranes)的制备方法。                      专利技术背景很多电化学电池都属于通常称为固体聚合物电解质(“SPE”)电池的范畴。典型的SPE电池采用阳离子交换聚合物膜作为阳极和阴极之间的物理隔离物，同时还可作为电解质。SPE电池可用作生产电化学产品的电解电池或可用作燃料电池。燃料电池是一种可使反应物，即燃料和氧化剂液体流发生转变，以产生电能和反应产物的电化学电池。可用于燃料电池的反应物有很多种，反应物能以气体流或液体流的形式传递。例如，燃料流可以是基本纯净的氢气，气态的含氢重整流或含水醇，如直接甲醇燃料电池(DMFC)中的甲醇。氧化剂可以是基本纯净的氧气，也可以是稀释氧气流，如空气。在SPE燃料电池中，固体聚合物电解质膜是一种一般以酸的形式存在的全氟磺酸聚合物膜。这种燃料电池通常又被称为质子交换膜(“PEM”)燃料电池。上述膜置于阳极和阴极之间并与它们接触。阳极和阴极中的电催化剂一般促使期望的电化学反应发生，该催化剂可以是黑色金属、合金或附于基底上的金属催化剂，如碳上的铂。SPE燃料电池通常还含有与每个电极电接触的多孔导电片材，以确保反应物向电极的扩散。在采用了气态反应物的燃料电池中，这种多孔导电片材有时被称为气体扩散层，碳纤维纸或碳布均可提供适宜的上述片材。一套合膜、阳极和阴极以及相应气体扩散层的装置有时又被称为膜电极装置(“MEA”)。由导电材料制成的置于很多相邻MEA之间的双极性盘能为反应物提供可流动区域。很多MEA和双极性盘以这种方式装配起来以提供燃料电池组。为了使电极能在SPE燃料电池中有效作用，必须提供有效的电催化剂部位。有效的电催化剂部位应具备如下几条理想特征：(1)该部位对反应物来说是可到达的，(2)该部位与气体扩散层是电连接的并-->且(3)该部位与燃料电池的电解质是离子连接的。为了提高其离子导电率，通常会在电极中添加离子交换聚合物。此外，电极中离子交换聚合物的混入对液体进料燃料也会产生积极影响。例如，在直接甲醇燃料电池中，液体进料流可润湿阳极里的离子交换聚合物，从而增大反应物与电催化剂部位的接触。对于采用气态进料燃料的燃料电池，其电极中通常会采用疏水组分如聚四氟乙烯(“PTFE”)，以部分降低电极的可润湿程度，并阻止溢流(“flooding”)的发生。溢流通常指电极中的小孔充满了反应生成的水，致使气态反应物在电极中的流动受到阻碍的现象。制备SPE燃料电池电极的方法基本上有两种。其中一种方法是将电催化剂和分散在适当液体介质中的PTFE颗粒涂布到气体扩散层，如碳纤维纸，从而在其表面形成电极。把附有电极和膜的碳纤维纸通过挤压装到MEA中，使电极可与膜接触。由于缺乏紧密接触，在这类MEA的电极和膜之间建立满意的离子接触是非常困难的。因此界面电阻会高于预期值。在制备电极的其它主要方法中，电极是在膜表面生成的。这样形成的带电极膜通常又被称为催化剂涂膜(“CCM”)。采用CCM形成的电极，其性能优于在气体扩散层上形成的电极，但通常CCM更难制备。已开发出了多种生产CCMs的方法。这些方法大都采用了含电催化剂和离子交换聚合物的电催化剂涂浆，并且还可选择性地加入其它材料，如PTFE分散体。膜本身及电催化剂涂布溶液中的离子交换聚合物可以水解或非水解离子交换聚合物(当使用全氟磺酸聚合物时形成磺酰氟)的状态使用，但对于后者，聚合物须在制备过程中水解。在膜或电催化剂组合物或同时在上述两者中使用非水解聚合物的工艺可制备出优良的CCM，但该工艺很难应用于商业化生产，因为电极涂布后须经水解和洗涤步骤。在某些工艺中，膜上的“贴花”(decal)是按如下方法首先制得的，将电催化剂涂布溶液沉淀在其它基底上，除去溶剂后将生成的贴花转移并粘附到膜上。这些工艺亦能制备出优良产品，但在大批量生产中，对贴花进行机械处理并将其置于膜上比较困难。用含水解形式的离子交换聚合物的电催化剂涂布溶液制备CCM的工艺也很多，该工艺中电催化剂涂布溶液是以水解状态直接涂布到膜-->上的。然而现有方法在应用到大批量生产时也有难度。现有的涂布工艺，如喷涂法、涂装法、修补涂布法(patch coating)和丝网印刷法一般均较慢，从而导致贵重催化剂的损失并需涂布相对较厚的涂层。然而较厚的涂层含有大量溶剂，会使膜发生溶胀，从而导致流挂，滑挂或下垂，加大了流程中膜尺寸的控制及处理难度，并生成劣质电极。为克服大批量生产中的上述问题，人们进行了很多尝试，如美国专利No.6074692提出用含电催化剂(在液体载体如乙二醇或丙二醇中)的浆液喷涂固定在牵引夹具进料装置中的膜。该专利在喷涂操作前先用液体载体对膜进行预处理，以减少溶胀问题。但是采用这种预处理步骤的流程非常复杂，难以控制，并且在干燥过程中需要除去大量的载体。这种干燥处理通常很慢，并且需要对大量载体进行处理或回收以符合相应的环保规定。因此需要开发一种适用于大批量生产催化剂涂膜的方法，并消除原有方法存在的问题。此外，需要一种适用于将电催化剂涂料组合物以水解形式直接涂布在膜上的方法，以消除现有方法中的溶胀问题，而不需任何复杂的前处理或后处理步骤。                         专利技术概述第一方面，本专利技术提供了一种生产催化剂涂膜的方法，包括：(a)将至少一种电催化剂涂料组合物涂布到含聚合物膜的元件上，该聚合物膜具有第一和第二表面以及第一尺寸稳定的临时基底，其中涂料组合物涂布于聚合物膜的至少部分第一表面；(b)干燥电催化剂涂料组合物，以在元件的聚合物膜上形成至少一个第一电极；(c)在步骤(b)形成的至少一个第一电极上涂布第二尺寸稳定的临时基底；(d)从聚合物膜中除去第一尺寸稳定的临时基底；(e)将至少一种电催化剂涂料组合物涂布于聚合物膜的至少部分第二表面；(f)干燥聚合物膜上的电催化剂涂料组合物以形成一种夹层结构，该夹层结构包括至少一个第二电极、聚合物膜，至少一-->个第一电极和第二尺寸稳定的临时基底。在第一方面，本专利技术的方法进一步包括：(g)除去第二尺寸稳定的临时基底以形成包括聚合物膜的催化剂涂膜，该聚合物膜夹在所述至少一个第一电极和第二电极之间。在第一方面，本专利技术提供了一种通过苯胺印刷实施涂布至少一种电催化剂涂料组合物的方法。在第一方面，本专利技术还进一步包括涂布至少一种非电催化涂料组合物以在覆盖有一电极层的基底上形成至少有部分相同区域的非电催化层。在第二方面，本专利技术可以重复进行电催化剂涂料组合物的涂布和干燥步骤，以形成覆盖基底表面相同部分的多个电极层。如果需要，该方法还可方便地提供组成各不相同的多个电极层。此外或作为另一种选择，电催化剂涂料组合物的涂布还可方便地为电极层提供以预定方式在其上非均匀分布的电催化剂。在第三方面，本专利技术提供一种燃料电池，该燃料电池包括一种催化剂涂膜，该催化剂涂膜的制备方法包括：(a)将至少一种电催化剂涂料组合物涂布到含聚合物膜的元件上，该聚合物膜具有第一和第二表面以及第一尺寸稳定的临时基底，其中涂料组合物涂布于聚合物膜的至少部分第一表面；(b)干燥电催化剂涂料组合物，以在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备催化剂涂膜的方法，该方法包括：（ａ）将至少一种电催化剂涂料组合物涂布到含聚合物膜的元件上，该聚合物膜具有第一和第二表面以及第一尺寸稳定的临时基底，其中涂料组合物涂布于聚合物膜的至少部分第一表面；（ｂ）干燥电催化剂涂料 组合物，以在元件的聚合物膜上形成至少一个第一电极；（ｃ）在步骤（ｂ）形成的至少一个第一电极上涂布第二尺寸稳定的临时基底；（ｄ）从聚合物膜中除去第一尺寸稳定的临时基底；（ｅ）将至少一种电催化剂涂料组合物涂布于聚合物膜的 至少部分第二表面；（ｆ）干燥聚合物膜上的电催化剂涂料组合物以形成一种夹层结构，该夹层结构包括至少一个第二电极、聚合物膜，至少一个第一电极和第二尺寸稳定的临时基底。

【技术特征摘要】
US 2002-2-26 60/360,2391.一种制备催化剂涂膜的方法，该方法包括：(a)将至少一种电催化剂涂料组合物涂布到含聚合物膜的元件上，该聚合物膜具有第一和第二表面以及第一尺寸稳定的临时基底，其中涂料组合物涂布于聚合物膜的至少部分第一表面；(b)干燥电催化剂涂料组合物，以在元件的聚合物膜上形成至少一个第一电极；(c)在步骤(b)形成的至少一个第一电极上涂布第二尺寸稳定的临时基底；(d)从聚合物膜中除去第一尺寸稳定的临时基底；(e)将至少一种电催化剂涂料组合物涂布于聚合物膜的至少部分第二表面；(f)干燥聚合物膜上的电催化剂涂料组合物以形成一种夹层结构，该夹层结构包括至少一个第二电极、聚合物膜，至少一个第一电极和第二尺寸稳定的临时基底。2.权利要求1的方法，其中元件是通过将第一尺寸稳定的临时基底涂布到聚合物膜上制得的。3.权利要求2的方法，其中涂布采用的是层压法。4.权利要求1的方法，该方法进一步包括：(g)除去第二尺寸稳定的临时基底以形成包括聚合物膜的催化剂涂膜，该聚合物膜夹在所述至少一个第一电极和第二电极之间。5.权利要求1的方法，其中电催化剂涂料组合物包括电催化剂、离子交换聚合物和液体介质。6.权利要求5的方法，其中离子交换聚合物是全氟化的。7.权利要求2的方法，其中电催化剂涂料组合物进一步包括氟化聚合物。8.权利要求7的方法，其中氟化聚合物是PTFE原纤维。9.权利要求1的方法，其中涂布至少一种电催化剂涂料组合物是通过苯胺印刷完成的。10.权利要求1的方法，其中重复电催化剂涂料组合物的涂布和干燥步骤以形成覆盖膜表面相同部分的多个电极层。-->11.权利要求1的方法，其中重复电催化剂涂料组合物的涂布和干燥步骤以形成组成各不相同的多个电极层。12.权利要求1的方法，其中电催化剂涂料组合物的涂布和干燥步骤为电极层提供以预定方式在其上非均匀分布的电催化剂。13.权利要求1的方法，该方法进一步包括涂布至少一种非电催化涂料组合物以在覆盖有一电极层的基底上形成至少有部分...

【专利技术属性】
技术研发人员：沃尔特约翰摩根，DN普鲁格，LR小布里安，
申请(专利权)人：纳幕尔杜邦公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]