用于气体扩散电极的结构制造技术

本发明专利技术涉及用于电化学应用的气体扩散电极装置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装置和气体扩散电极背衬的方法，气体扩散电极包括：ａ）至少一种气体扩散介质，ｂ）包括至少一种负载催化剂的在所述气体扩散介质之上的至少一个催化剂层，和ｃ）在以上（ｂ）下提及的负载催化剂层之上的至少一个非负载催化剂层，所述的非负载催化剂层比（ｂ）中的催化剂层具有更高的总的催化剂负载量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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DE19840517'，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IO(TC) 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DMFC6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丄Power Sources 112, 339 (2002)。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供改进的气体扩散电极结构，特别是用于 DMFC的气体扩散电极结构，它可以克服现有技术的限制和缺点，以 及提供使用它的电化学电池。上述的和其他没有明确提及的，但是很容易从以上论述的现有技 术中推知和得出的目的，也能通过气体扩散电极(GDE)实现，所述的气体扩散电极包括a) 至少一种气体扩散介质(GDM)，b) 包括至少一种负载催化剂的在所述气体扩散介质之上的至少 一个催化剂层，和c) 在b)下提及的负载催化剂层之上的至少一个非负载的催化剂 层，所述的非负载催化剂层比b)中的催化剂层具有更高的总的催化剂负载量。本专利技术的GDE能用于燃料电池中，特别是离子交换膜燃料电池 中，用作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的含贫氧的混合物而不是纯氧进行去极化，和用在电池体系或传感器系统中。气体扩散介质(GDM)本身公开于例如US-A-6,017，650 、US-A-6，379,834和US-A- 6,165,636中。对于本领域的普通技术人员而言，考虑到以下的描述这些及其他方面是显而易见的，这些描述的目的仅仅是举例说明本专利技术代表性的实施方式而不构成对本专利技术的限制。如上所述，现有技术的气体扩散介质总是被描绘为在两个不同区域实施两种单独功能的双重结构与离子交换膜特别是质子导电的膜接触的朝向催化剂的活化区，主要在于在该催化剂粒子上促进三相反应，需要延伸的提供有离子和电子导电的界面，因此有显著的亲水特性，和主要直接涉及气体扩散的区域，提供有强疏水特性以促进气体传输通过它们的孔。进一步，为利用本专利技术全部的性能，跨越整个气体扩散结构同样形成孔隙性的精细梯度，其中在涂层上的大孔与支撑织网直接接触，及较小的孔在相反的朝向催化剂的表面上。在一个选择性的实施方式中，气体扩散介质由在其厚度方向上具有微孔性和疏水性梯度的非催化部分，和在其厚度方向上具有不同孔隙性和疏水性精细梯度的叠置催化部分组成。最优选，GDM包括在织网上的多层涂层，该涂层在跨越整个厚度区间提供有孔隙性和疏水性的精细梯度。就精细梯度来说，它意欲指有关参数单调的和基本上规则的变化。这种GDM公开在美国专利申请2005/0106451中，在此引入作为参考。通常，在一个优选实施方案中，该GDM提供有包括碳和粘结剂颗粒的涂层。碳粒子基本上用于提供导电性；应理解也可以使用其他类型的导电颗粒，例如金属微te代替碳粒子，或其他的。粘合剂用于给涂层赋予结构特性，同样可以有利地用于改变涂层的疏水/亲水特性。对于本申请聚合粘合剂是优选的，特别是部分氟化或全氟化的粘合剂，例如聚四氟乙烯(能够给予疏水特性)或磺化的全氟碳酸，例如Nafion⑧(能够给予亲水特性)。在一个优选实施方案中，通过提供多层涂层同时实现疏水性和孔隙率的精细梯度，其中碳与粘结剂颗粒的重量比能系统地改变；因此，GDM可以由可变数量的单个涂层组成，通常为3-8层。涂层数量越多，得到的GDM的精细梯度结构就更好。然而，出于实际的原因涂层数量必须本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体扩散电极，包括：　ａ）至少一种气体扩散介质，　ｂ）包括至少一种负载催化剂的在所述气体扩散介质之上的至少一个催化剂层，和　ｃ）在以上ｂ）下提及的负载催化剂层之上的至少一个非负载催化剂层，所述的非负载催化剂层比ｂ）中的 催化剂层具有更高的总的催化剂负载量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】EP 2006-9-28 06020369.2;US 2006-9-28 60/827,3151. 一种气体扩散电极，包括a)至少一种气体扩散介质，b)包括至少一种负载催化剂的在所述气体扩散介质之上的至少一个催化剂层，和c)在以上b)下提及的负载催化剂层之上的至少一个非负载催化剂层，所述的非负载催化剂层比b)中的催化剂层具有更高的总的催化剂负载量。2. 如权利要求l所述的气体扩散电极，其中所述的气体扩散介质是电子传导性的。3. 如权利要求1或2所述的气体扩散电极，其中所述的气体扩散 介质包含碳纤维纸、石墨化的碳纤维纸、碳纤维织物、石墨化的碳纤 维织物和/或通过加入炭黑已经能够导电的片材。4. 如权利要求l所述的气体扩散电极，具有两到三种气体扩散介质。5. 如权利要求1所述的气体扩散电极，其中所述的负载或非负载 催化剂包含铂、钯、铑、铱、锇和/或钌或，铂、钯、铑、铱、锇和/或 钌与非贵金属特别是Fe、 Cr、 Zr、 Ni、 Co、 Mn、 V和/或Ti的合金。6. 如权利要求l所述的气体扩散电极，其中所述的催化剂层的总 厚度为约1-1000 u m。7. 如权利要求l所述的气体扩散电极，其中催化剂层总的贵金属8. 如权利要求l所述的气体扩散电极，其中所述的电极包括至少 一个在所述气体扩散介质之上的朝向膜的催化剂层，所述催化剂层包 括至少一种含碳的催化剂作为载体，所述含碳催化剂特别是炭黑、石 墨或石墨化炭黑。9. 如在权利要求5或8中所述的气体扩散电极，其中所述负载催 化剂层的金属含量为约10%-90wt%。10. 如权利要求1所述的气体扩散电极，其中所述气体扩散介质 包括至少两个在所述的气体扩散介质之上的朝向膜的催化剂层，每一 个层包括至少一种具有不同金属含量的负载催化剂。11. 如权利要求IO所述的气体扩散电极，其中在所述的气体扩散 介质之上的第一负载...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹玉民，朱志勇，丹尼尔罗萨，艾莫里德卡斯特罗，
申请(专利权)人：巴斯夫燃料电池有限责任公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]