專利名稱：組合物、其制法、包括其的電極和包括該電極的燃料電池的制作方法
技術領域：
本公開內(nèi)容的方面涉及組合物、制備該組合物的方法、包括該組合物的電極和包括該電極的燃料電池。
背景技術：
在150-200°C的溫度下運行的磷酸燃料電池包括磷酸作為電解質(zhì)。然而，電極中大量的液態(tài)磷酸阻礙了氣體向電極中的擴散。因此，已經(jīng)使用包括催化劑和作為防水劑的聚四氟こ烯(PTFE)的混合物的電極催化劑層以防止電極中的微孔被磷酸堵塞。高溫非增濕(non-humidified)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池在150_200°C的溫度下運行。為了確保這種PEMFC在高溫下長期運行，用于電極的材料應具有長的壽命特性。
用于形成電極的粘合劑在使磷酸分布在電極中、構成電極、和在燃料電池的運行期間保持電極的性能方面起著重要作用。防水聚合物例如聚四氟こ烯(PTFE)可用作用于電極的粘合剤。然而，目前已知的粘合劑在耐磷酸性和耐熱性方面并不令人滿意，且因此仍需進ー步的改進。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題本發(fā)明的方面提供具有良好分散性的組合物、制備該組合物的方法、使用該組合物的電極和包括該電極的燃料電池。解決技術問題的技術方案本發(fā)明的ー個方面提供組合物，其包括分散介質(zhì)和分散于所述分散介質(zhì)中的基于聚嗪的化合物(聚嗪類化合物，polyoxazine-based compound)粒子。本發(fā)明的另一方面提供制備上述組合物的方法，該方法包括混合基干'#嗪的單體(:#嗪類單體，oxazine-based monomer)和酸以制備基于3惡嗪的單體的酸溶液；對所述基于R惡嗪的単體的酸溶液進行熱處理以獲得聚合產(chǎn)物；從所述聚合產(chǎn)物分離基于聚《#嗪的化合物；和將所述基于聚嗪的化合物分散于分散介質(zhì)中。本發(fā)明的另一方面提供電極，其包括載體；和設置于所述載體上的催化劑層，其中該催化劑層包括上述組合物的涂覆產(chǎn)物。本發(fā)明的另一方面提供包括上述電極的燃料電池。本發(fā)明的另外的方面和/或優(yōu)點將部分地在隨后的描述中闡明，和部分地將從所述描述明晰，或者可通過本發(fā)明的實踐而獲知。


由結合附圖考慮的實施方式的以下描述，本發(fā)明的這些和/或其它方面和優(yōu)點將變得明晰和更容易理解，其中圖I為顯示根據(jù)實施例I制備的基于聚苯并《惡嗪的化合物(聚苯并嗪類化合物)的平均粒徑分析結果的圖；圖2為說明實施例1、3和4的基于聚苯并口惡嗪的化合物的熱重分析(TGA)結果的圖；圖3為說明分析在制造實施例I以及制造對比例I和2的燃料電池各自的陰極反應中所涉及的鉬(Pt)催化劑的面積的結果的圖；圖4為說明制造實施例I以及制造對比例I和2的燃料電池的電池電壓特性隨電流密度的變化的圖；和圖5為在根據(jù)制造實施例2-4和制造對比例I制造的燃料電池中電池電壓特性隨電流密度的變化的圖。
具體實施方式

現(xiàn)在將詳細介紹本發(fā)明的當前實施方式，其實例示例于附圖中。以下通過參照附圖描述實施方式以解釋本發(fā)明。本發(fā)明的ー個方面包括組合物，其包括分散介質(zhì)和分散于所述分散介質(zhì)中的基于聚嗪的化合物粒子。如上所述，所述組合物中的所述基于聚I*嗪的化合物粒子分散、而非溶解(solubilize)于所述分散介質(zhì)中。因而，可使用各種可分散、而不溶解所述基于聚^#嗪的化合物粒子的分散介質(zhì)。所述用于分散基于聚^惡嗪的化合物粒子的分散介質(zhì)可為具有約0. 5至約2. Omg/cm3的密度的有機化合物。當所述分散介質(zhì)的密度在該范圍內(nèi)時，所述基于聚*#嗪的化合物粒子可具有良好的分散性。所述分散介質(zhì)可為選自醇、水、酸和烴類溶劑(hydrocarbonic solvent)的至少一種物質(zhì)。烴類溶劑的實例包括N-甲基吡咯烷酮、ニ甲基こ酰胺、甲苯、苯、ニ甲苯等。所述醇的實例包括甲醇、こ醇、異丙醇、丁醇等。例如，所述酸可為基于磷酸的物質(zhì)。所述基于磷酸的物質(zhì)的實例包括多磷酸、亞磷酸(膦酸，H3PO3)、有機膦酸、正磷酸(H3PO4)、焦磷酸(H4P2O7),三磷酸(H5P3Oltl)、偏磷酸、及其衍生物等。所述酸的濃度可為至少80重量％、90重量％、95重量％或98重量％。例如，所述酸的濃度可在約80重量％至約98重量％范圍內(nèi)。所述基于聚噁嗪的化合物組合物中所述基于聚鳴嗪的化合物粒子的量可為約I重量％至約80重量％，基于所述基于聚嗪的化合物組合物的總重量。所述組合物可用作用于形成電極催化劑層例如燃料電池的電極催化劑層的組合物。以下將描述制備所述組合物的方法。基于聚1#嗪的化合物通過使基于續(xù)、嗪的單體聚合而得到并具有對酸和熱的耐受性。然而，基于聚》#嗪的化合物是硬的，且因此不易于將基于聚唆.嗪的化合物以具有小粒徑的粉末形式進行處理。使基于嗪的單體聚合以得到基于聚》惡嗪的化合物的方法包括使用酸作為催化劑以得到具有小粒徑的聚合物的分散體的方法。首先，將基于咬.嗪的單體溶解于酸中以制備基于嗪的單體的酸溶液?？蓪⒒谝А⑧旱膯误w在約50°C至約100°C的溫度下溶解于酸中。當將基于嗪的単體在該溫度范圍內(nèi)溶解于酸中吋，基于口惡嗪的単體的溶解度和聚合產(chǎn)率提高。接著，對基于嗪的單體的酸溶液進行熱處理以進行聚合。所述酸溶液由酸和水組成。例如，所述酸可為基于磷酸的物質(zhì)?；诹姿岬奈镔|(zhì)的實例包括多磷酸、亞磷酸(H3PO3),有機膦酸、正磷酸(H3PO4)、焦磷酸(H4P2O7),三磷酸(H5P3O10)、偏磷酸、其衍生物等。多磷酸的實例包括已知的磷酸，例如，可得自Riedel-de Haen Inc.的。當通過酸量滴定法基于P2O5進行計算時，由Hn+2Pn03n+1 (n>l)表示的多磷酸的濃度可為至少85%。 所述酸的濃度可為至少80重量％、90重量％、95重量％或98重量％。例如，所述酸的濃度可在約80重量％至約98重量％范圍內(nèi)。所述酸溶液中所述酸的量可為約1，000至約100，000重量份，例如約6，000至約
20，000重量份，基于100重量份的基干* 惡嗪的単體。當所述酸的量在所述范圍內(nèi)時，基于 嗪的單體的聚合反應性可為良好的。所述熱處理可在約150°C至約250°C的溫度下，例如，在約150°C至約200°C的溫度下進行。當熱處理的溫度在該范圍內(nèi)時，基于聚^#嗪的化合物組合物可具有小的粒度和高
的產(chǎn)率。通過后處理過程(work-up process)從聚合產(chǎn)物分離基于聚嗪的化合物。后處理過程包括，例如，向聚合產(chǎn)物添加水以得到溶液，將所述溶液離心以除去酸組分，和從聚合產(chǎn)物分離固體組分。接著，將水添加到經(jīng)分離的基于聚嗪的化合物以獲得基于聚嗪的化合物組合物?；诰邸窅亨旱幕衔锝M合物可包含約I重量％至約80重量％的基于聚嗪的化合物?；诰蹏f嗪的化合物可具有約0. 5至約10 ii m的平均粒徑。當所述組合物中基于聚J 惡嗪的化合物的量在該范圍內(nèi)時，基于聚嗪的化合物的分散性可為良好的。當所述組合物中基于聚At嗪的化合物的平均粒徑在該范圍內(nèi)時，基于聚>#嗪的化合物在電極催化劑層中可具有良好的分散性。基于聚.塌 嗪的化合物在最高達約300°C時具有優(yōu)異的耐熱性。基于聚苯并'穩(wěn)嗪的化合物在約150°C至約200°C的溫度下，例如在約180°C下，不溶于酸例如磷酸中?；诰?惡嗪的化合物具有良好的保持酸例如磷酸的能力。當使用通常的基于鳴、嗪的單體制造電極時，未反應的基于喊 嗪的単體可作為雜質(zhì)殘留于電極中，從而降低電極的性能。然而，當使用根據(jù)本發(fā)明的方面的如上所述制備的基于聚感嗪的化合物時，可防止該問題。如上所述制備的組合物可用作用于燃料電池電極的粘合劑?；诤?嗪的單體可為選自由下式I至6表示的化合物的至少ー種，但不限于此。式I
權利要求
1.組合物，其包括分散介質(zhì)、和分散于所述分散介質(zhì)中的基于聚。惡嗪的化合物粒子。
2.權利要求I的組合物，其中所述基于聚嗪的化合物粒子的量為約I至約80重量％，基于所述組合物的總重量。
3.權利要求I的組合物，其中所述分散介質(zhì)包括選自如下的至少ー種物質(zhì)醇、水、酸、和烴類溶剤。
4.權利要求I的組合物,其中所述基于聚嗪的化合物粒子具有約0.5至約10 ii m的平均粒徑。
5.制備權利要求I的組合物的方法，該方法包括 混合基于<#嗪的單體和酸以制備所述基于嗪的單體的酸溶液； 對所述基于嗪的單體的所述酸溶液進行熱處理以獲得聚合產(chǎn)物； 從所述聚合產(chǎn)物分離基于聚嗪的化合物；和 將所述基于聚嗪的化合物分散于分散介質(zhì)中。
6.權利要求5的方法，其中所述酸包括基于磷酸的物質(zhì)。
7.權利要求5的方法，其中所述基于1#嗪的單體的所述酸溶液中所述酸的量為約1，000至約100，000重量份，基于100重量份的所述基于I#嗪的單體。
8.權利要求5的方法，其中所述熱處理在約150至約250°C的溫度下進行。
9.權利要求5的方法，其中從所述聚合產(chǎn)物分離基于聚1#嗪的化合物包括 向所述聚合產(chǎn)物添加水并將向其添加水的所述聚合產(chǎn)物離心，以獲得離心產(chǎn)物；和 從所述離心產(chǎn)物分離固體內(nèi)含物。
10.權利要求5的方法，其中混合基于《!§嗪的單體和酸在約50至約100°C的溫度下進行。
11.權利要求5的方法，其中所述基于嗪的單體包括選自由下式I至6表示的化合物的至少ー種化合物 式I
12.權利要求5的方法，其中所述基于B惡嗪的單體包括選自如下的至少ー種化合物由下式16表示的化合物(4FPh3AP)、由下式28表示的化合物(3，4_FPh4FA)、由下式66表示的化合物、由下式62表示的化合物(HF-a)、由下式89表示的化合物(3HP2AP)、和由下式115表示的化合物(PPO)
13.電極,包括 載體；和 設置于所述載體上的催化劑層，所述催化劑層包括權利要求1-4中任ー項的基于聚嗪的化合物組合物的涂覆產(chǎn)物。
14.權利要求13的電極，其中所述基于聚《#嗪的化合物組合物進ー步包括能交聯(lián)的化合物。
15.權利要求13的電極，其中所述催化劑層進一歩包括催化劑，和所述催化劑層中所述基于聚嗪的化合物的量為約0. 001至約20重量份，基于I重量份的所述催化劑。
16.包括權利要求13的電極的燃料電池。
全文摘要
包含均勻地分散的基于聚嗪的化合物的組合物、制備該組合物的方法、包括該組合物的電極和包括該電極的燃料電池。
文檔編號H01M8/02GK102869726SQ201180022412
公開日2013年1月9日 申請日期2011年3月3日 優(yōu)先權日2010年3月3日
發(fā)明者樸貞玉, 崔成宇, 全祐成, 李庭碩, O.尤恩薩爾 申請人:三星電子株式會社, 巴斯夫歐洲公司