本发明专利技术是针对一种用于电化学装置中的腐蚀防护的阻挡层，例如电化学装置中的碳基气体扩散层(GDL)，该阻挡层包含导电陶瓷材料和一种非离聚物聚合物粘合剂。该导电陶瓷材料具有在空气气氛中>0.1S/cm、优选>1S/cm的电导率(如通过粉末法检测的)并且选自以下各项组成的组：含有贵金属和/或贱金属的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物以及它们的混合物和组合。包含本发明专利技术的阻挡层的膜-电极组件(MEA)、催化剂涂覆的膜(CCM)、气体扩散电极(GDE)和气体扩散层(GDL)表现出改进的耐腐蚀性，优选对抗碳腐蚀；特别是在PEM燃料电池的启动/停止循环和燃料不足的情况下。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】用于电化学装置的腐蚀防护的阻挡层 专利
本专利技术是针对电化学和燃料电池领域。本专利技术提供了一种用于电化学装置的腐蚀 防护的阻挡层，例如对于电化学装置如聚合物电解质燃料电池（"PEMFC"）或PEM电解池 中的碳基气体扩散层（GDL)或集电体。本专利技术的阻挡层可用于PEMFC部件如膜电极组件 ("MEA"）、催化剂涂覆的膜（"CCM"）、气体扩散电极（"GDE"）和气体扩散层（"GDL"）。 更具体地，本专利技术中披露的阻挡层提供了改进的对碳基GDL的碳腐蚀的耐受性并且导致在 PEMFC中启动/停止循环和燃料不足情况下更好的稳定性。 专利技术背景 燃料电池（FC)是用于或商业上预见用于各种不同应用的发电电化学装置，包括， 例如，汽车传动系统、用于住宅供暖的固定单元、机载辅助动力单元、便携式电子设备以及 远程或便携式备用单元。原则上，燃料电池将氢气（H 2气体）或另一种燃料的化学能转化 为电流和热量；在此电化学反应中水作为副产物产生。在PEM燃料电池的操作过程中，氧的 还原发生在阴极并且氢（或其他燃料）的氧化发生在燃料电池的阳极。最后，产生水、电力 和热量。 PEM燃料电池（PEMFC)更具体地是包含一个固体聚合物-电解质膜，有时也称为质 子交换膜（为方便起见下文称为"膜"），诸如质子传导性全氟磺酸膜（以商品名Naflon i8" 可商购）或烃酸膜的一种燃料电池。 PEMFC的实例是氢气PEMFC、重整氢气PEMFC和直接甲醇PEMFC (经常简称为 "DMFC"）。 PEMFC被建立为所谓的膜-电极-组件（MEA)和双极流场板的堆叠。膜电极组件 (MEA)进而是PEMFC堆叠的一个关键部件并且对其最终用途特征具有显著影响。在图1中 示出了 MEA的一种通用的、简化的结构。膜-电极组件是基于多层结构并且典型地包含5个 层。处于中心的一个离聚物膜（6)、一个阴极气体扩散层（1)(下文称为"阴极-GDL"）、一 个阴极催化剂层（5)、一个阳极催化剂层（5'）和一个阳极气体扩散层（Γ )(下文称为"阳 极-⑶L"）。 "催化剂涂覆的膜"（下文简称"CCM"）包含一个离聚物膜（6)，该离聚物膜在两侧 具有催化活性层，即阴极催化剂层（5)和阳极催化剂层（5'）。因为该CCM基本上包含三个 层（阳极催化剂层、离聚物膜和阴极催化剂层），它经常被称为"三层MEA"。 将"气体扩散层"（"GDL"），有时也称为气体扩散衬底或背衬，放置在CCM的阳极 和阴极层上以使气态反应介质（例如，氢气和空气）到达催化活性层，并且同时建立电接 触。GDL可以涂覆有一个微孔层以便改进与电极的接触。 "气体扩散电极""⑶E"）是在面向离聚物膜的侧上涂覆有一个催化剂层的⑶L。 GDE通常称为催化剂涂覆的GDL或"催化剂涂覆的背衬"（缩写为"CCB"）。 总体上，MEA可以通过将一个CCM与两个⑶L(在阳极和阴极侧）组合，或者，可替 代地，通过将一个离聚物膜与在阳极和阴极侧的两个气体扩散电极（GDE)组合来制造。在 这两种情况下，获得了五层MEA产品。 PEM电解槽通常具有与PEM燃料电池类似的结构，但它们以不同的方式运行。与常 规的PEM燃料电池相比，电流的流动和电极在PEM电解槽中是相反的，这样使得水的分解发 生。氧的释放发生在阳极（"析氧反应"或简称"0ER"），并且穿过聚合物电解质膜的质子 (H +)的还原发生在阴极（"析氢反应"或简称"HER"）。结果是借助于电流水被分解成氢气 和氧气。 一种用于PEM水电解槽的膜-电极组件（"MEA"）（下文也称为"电解MEA"）通常 含有一种聚合物电解质膜（例如来自杜邦公司（DuPont)的Nai_ion_ )和各自安装在这些 电极的两侧的两个多孔气体扩散层（GDL)，该聚合物电解质膜被安排成处于两个电极之间 的夹层构造中。总体上，由于腐蚀作用，碳基GDL材料不能用在电解MEA的阳极侧。 在下文中进一步描述了常规PEM燃料电池的技术。在阳极层中，一种适当的电催 化剂（总体上是一种铂或铂合金电催化剂）引起燃料（例如氢气或甲醇）氧化，从而显著地 产生正性氢离子（质子）和带负电的电子。该膜只允许这些带正电的氢离子通过它以到达 阴极层，而这些带负电的电子沿着连接阳极与阴极的一个外电路行进，由此产生一个电流。 气体扩散层（⑶L)通常包含相对厚的多孔层并且位于电极层与流场板之间。一个 GDL的主要目的在于确保多种反应物气体更好地接近电极层并且有效地从燃料电池移除水 (以液体或蒸气形式），增强燃料电池的电导率，从而确保电极层与流场板之间更好的电接 触，并且最后但并非最不重要的是提供保持电极层的结构完整性所必需的机械强度。 该GDL通常包括碳纸或碳编织布，可能被可变量的全氟化或部分氟化聚合物处理 过以适当地控制其电导率、机械强度、疏水性、孔隙率和质量传输特性。 已知的是在电化学电池如燃料电池的运行过程中，堆叠的电池和结合在其中的 膜-电极-组件（MEA)可能暴露于高电位01.2V)，均在阴极和阳极两侧。 在阴极上的高电位典型地在燃料电池已被关闭一段长时间后在重新启动该电池 时发生并且氢气是在阳极侧引入，而空气存在于MEA的两侧（称为"空气/空气启动")。在 这种情况下导致高电位的机制通常被称为"电流反向机制"。 如果燃料被不充分地递送到电极同时要求电池的一定功率，这驱动该电池进入反 向电压，可能发生在阳极侧的高电位。这种情况通常称为"燃料不足"或"电池逆转"。 当燃料电池以所谓的"可逆模式"使用时，电池的氧气侧也可能长时间暴露于高电 位。由此，通过将水供给到电池而同时通过一个外部负载施加一个电压差（该电压差足够 高以引起水的电解）而产生氢气和氧气。 在这种高电位事件或条件下，燃料电池的含碳电极（例如碳负载的电催化剂）由 于碳载体材料的腐蚀而经受降解。 为了减少这种降解现象，可以采用基于石墨化碳黑的电催化剂和/或将能够促进 水氧化的催化剂添加到电极中，这样使得反应电流通过水氧化而不是通过碳腐蚀维持（例 如，参考US2009/0162725 Al和US2009/0068541 A1)。然而，这种策略减轻了这个问题，但 没有完全防止碳腐蚀。 W02007/119134A1披露了一种PEMFC，其中将两个单独的层应用在阳极和阴极侧， 这两个单独的层含有水-电解催化剂作为所谓的"燃料不足对策"。优选地此类水电解催化 剂是基于铱和/或钌的氧化物。这两个单独的层包含离聚物粘合剂材料。 EP 2475034披露了改进的用于PEMFC的MEA，其是基于含有Pt基电催化剂与包含 氧化铱组分的电催化剂的混合物和离聚物粘合剂的电极。 Ir基催化剂材料的用途在US6, 936, 370和W02011/021034中进一步报道。 减少碳腐蚀问题的另一种方法是用不含碳的电催化剂替代催化剂层中的碳基电 催化剂。这些材料通常包含精细分散在腐蚀稳定的导电载体材料上的催化剂颗粒（通常是 铂或铂合金）。典型地，导电性陶瓷材料如金属氧化物、氮化物或碳化物被用作催化剂载体 材料。 在专利文献中已经披露了广泛数量的导电陶瓷材料供用作催化剂层中的导电添 加剂（例如参考US7, 767, 330B2)。 发现即使当使用这种腐蚀稳定的催化剂时，ME本文档来自技高网...
【技术保护点】
用于电化学装置中的气体扩散层(GDL)或集电体的腐蚀防护的阻挡层，所述阻挡层包含导电陶瓷材料和一种非离聚物聚合物粘合剂。
【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：JP·祖赫斯兰，A·吉耶尔米，P·布劳恩，
申请(专利权)人：索尔维克雷有限责任两合公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE
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