燃料电池催化剂层及其形成方法和包括其的燃料电池技术

公开了燃料电池催化剂层和制备燃料电池催化剂层的方法和包括其的燃料电池。燃料电池催化剂层可包括具有碳纳米纤维的无纺毡的催化剂基体，每根碳纳米纤维具有表面部分和由表面部分界定的体部分。多个催化剂颗粒可包含在催化剂层中，所述多个催化剂颗粒中的至少第一部分完成地嵌入在每根碳纳米纤维的体部分内。所述方法可包括：将包括基体聚合物、溶剂和催化剂前驱体的组合物纺丝成嵌入有催化剂前驱体的无纺纤维毡。然后可将无纺纤维毡碳化以形成碳纤维基体，并可对催化剂前驱体进行反应以形成嵌入在基体中的催化剂颗粒。嵌入催化剂颗粒的步骤可将催化剂颗粒锚定在基体内并抑制它们在燃料电池操作期间迁移。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池催化剂层及其形成方法和包括其的燃料电池
本公开涉及例如用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的碳纳米纤维催化剂基体。
技术介绍
燃料电池(例如，氢燃料电池)是用于驱动车辆的可行的可替代能源。通常，燃料电池包括负极(阳极)、电解质和正极(阴极)。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，电解质是电绝缘但允许质子穿过的固体的质子传导膜。通常，在阳极处使用双极板或流场板引入燃料源(诸如，氢)，燃料源在阳极处与催化剂反应并分裂成电子和质子。质子通过电解质行进至阴极，电子穿过外电路并随后至阴极。在阴极处，从另一双极板引入的空气中的氧在另一催化剂处与这些电子和质子反应以形成水。这些催化剂中的一种或两种通常由贵金属或贵金属合金(通常为铂或铂合金)形成。
技术实现思路
在至少一个实施例中，提供一种燃料电池催化剂层，所述燃料电池催化剂层包括：催化剂基体，包括碳纳米纤维的无纺毡，每根碳纳米纤维具有表面部分和由表面部分界定的体部分；多个催化剂颗粒，所述多个催化剂颗粒的至少第一部分完全地嵌入在每根碳纳米纤维的体部分内。在一个实施例中，催化剂层还包括催化剂颗粒的第二部分，催化剂颗粒的第二部分嵌入在每根碳纳米纤维的表面部分内。催化剂颗粒的第一部分与催化剂颗粒的第二部分之比可以为至少1:3。催化剂颗粒可包括具有1nm至20nm的平均直径的纳米颗粒。催化剂颗粒可包括金属铂。碳纳米纤维可具有至多300nm的直径，且催化剂基体可具有5μm至12μm的厚度。在一个实施例中，催化剂颗粒包括铂，且催化剂层具有至少0.5mA/cm2的比活性和至少200A/g(Pt)的质量活性。碳纳米纤维可具有形成在其中的多个孔。在一个实施例中，所述多个孔中的至少一部分是相互连接的开孔(openpores)。在至少一个实施例中，提供一种形成燃料电池催化剂层的方法。所述方法可包括：将包括基体聚合物、溶剂和催化剂前驱体的组合物纺丝成嵌入有催化剂前驱体的无纺纤维毡；将无纺纤维毡碳化以形成碳纤维基体；使催化剂前驱体反应以形成嵌入在碳纤维基体中的催化剂颗粒。纺丝步骤可包括电纺出具有小于300nm的平均直径的纳米纤维。基体聚合物可包括聚丙烯腈(PAN)、PAN共聚物或PAN衍生物，溶剂包括二甲基甲酰胺(DMF)。催化剂前驱体可包括氯铂酸，反应步骤可形成金属铂催化剂颗粒。反应步骤可包括使催化剂前驱体还原以形成具有1nm至20nm的平均直径的催化剂颗粒。组合物还可包括与溶剂不互溶的液体，纺丝步骤可包括将所述组合物纺丝成具有多孔纤维的无纺纤维毡。在一个实施例中，溶剂与不互溶液体的混合物包括0.5wt％至20wt％的不互溶液体。在至少一个实施例中，提供一种燃料电池，所述燃料电池包括阳极、阴极和质子交换膜。阳极和阴极中的至少一个可包括催化剂层，所述催化剂层包括：催化剂基体，包括多根电纺丝碳纳米纤维，每根电纺丝碳纳米纤维具有表面部分和由表面部分界定的体部分；以及多个铂纳米颗粒，分布在每根碳纳米纤维的整个体部分中。铂纳米颗粒可以是金属铂且具有1nm至20nm的平均直径。在一个实施例中，碳纳米纤维具有形成在其中的多个互相连接的开孔。所述多个铂纳米颗粒可均匀地分布在每根碳纳米纤维的整个体部分中。附图说明图1是根据实施例的质子交换膜燃料电池(PEMFC)的分解视图；图2是根据实施例的示出阳极、阴极和质子交换膜的组件的PEMFC的截面图；图3是根据实施例的电纺丝系统的示意图；图4是根据实施例的电纺丝纤维催化剂基体的示意图；图5是根据实施例的形成纺丝燃料电池催化剂层的方法的流程图；图6是其上沉积有铂颗粒的电纺丝碳纳米纤维(CNF)催化剂基体的扫描透射电子显微镜(STEM)图；图7是其中嵌入有铂颗粒的电纺丝碳纳米纤维(CNF)催化剂基体的STEM图；图8是示出标准的催化剂、非嵌入式催化剂和嵌入式催化剂在寿命开始(BOL)、7500次循环和15000次循环处旋转盘电极(RDE)比活性数据的图；以及图9是示出标准的催化剂、非嵌入式催化剂和嵌入式催化剂在BOL、7500次循环和15000次循环处RDE质量活性(massactivity)数据的图。具体实施方式根据需要，在此公开了本专利技术的详细实施例；然而，应理解的是，所公开的实施例仅是本专利技术的示例，本专利技术的示例可以以各种和替代的形式实施。附图不一定按比例绘制；可夸大一些特征或使其最小化以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本专利技术的代表性基础。参照图1和图2，示出了质子交换膜燃料电池(PEMFC)10的示例。PEMFC10总体上包括由质子交换膜(PEM)16(还可以称为聚合物电解质膜)分隔开的负极(阳极)12和正极(阴极)14。阳极12和阴极14可均包括气体扩散层(GDL)18、催化剂层20和形成气体通道24的双极板或流场板22。催化剂层20对于阳极12和阴极14可以是相同的，然而，阳极12可具有催化剂层20′，阴极14可具有不同的催化剂层20″。催化剂层20′可促进氢原子分裂成氢离子和电子，而催化剂层20″促进氧气、氢离子和电子的反应以形成水。此外，阳极12和阴极14可均包括设置在GDL18和催化剂层20之间的微孔层(MPL)26。PEM16可以是现有技术中已知的任何适合的PEM(诸如以Nafion(磺化四氟乙烯类含氟聚合物-共聚物)为例的含氟聚合物)。GDL18可以由现有技术中已知的材料和方法形成。例如，GDL18可以由碳纤维类的纸和/或布形成。GDL材料通常是高孔隙度的(具有大约80％的孔隙率)，以允许反应气体输送到催化剂层(其通常具有大约10μm-15μm的厚度)并允许从催化剂层输送液态水。可利用非润湿性聚合物(诸如聚四氟乙烯(PTFE，以商品名Teflon公知))将GDL处理成疏水的。可将微孔层(MPL)覆盖到GDL的面向催化剂层的一侧以有助于传质。MPL可以由现有技术中已知的材料和方法形成，例如，碳粉末和粘结剂(例如，PTFE颗粒)。催化剂层20可包括贵金属或贵金属合金(诸如，铂或铂合金)。催化剂层可包括催化剂载体，催化剂载体可承载催化剂材料或在所述催化剂载体上已经沉积有催化剂材料。双极板22可具有限定在其中的用于传输气体的通道24。通道24可传输空气或燃料(例如，氢)。如图1和图2中所示，可使板22和通道24相对于彼此旋转90度。可选择地，可使板22和通道以相同的方向定向。双极板材料需要在质子交换膜燃料电池(PEMFC)操作条件下是导电的和耐腐蚀的，以确保双极板执行它的功能，即将反应气体供应至膜电极组件(MEA)并收集来自MEA的电流。在传统的PEMFC中，催化剂层通常包括承载在碳颗粒(诸如，炭黑)上的铂。已经发现，碳载铂催化剂至少部分地由于碳腐蚀和铂结块而经受耐久性困难。一种减少碳腐蚀的方法可以在于使用具有较低的表面积和不易受碳腐蚀影响的石墨碳。然而，较低的表面积会减少燃料电池中的气体向催化剂的进入。此外，石墨碳会更容易受到铂结块的影响，这降低了铂的表面积并由此降低催化剂的活性。因此，为了使石墨碳成为高效的催化剂基体，可能需要改善铂颗粒的结块(agglomeration)或聚集(coalescence)。已经发现，一种防止或减少Pt聚集的方法可以改善铂与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池催化剂层，包括：催化剂基体，包括碳纳米纤维的无纺毡，每根碳纳米纤维具有表面部分和由表面部分界定的体部分；以及多个催化剂颗粒，所述多个催化剂颗粒的至少第一部分完全地嵌入在每根碳纳米纤维的体部分内。

【技术特征摘要】
2016.01.08 US 14/991,3661.一种燃料电池催化剂层，包括：催化剂基体，包括碳纳米纤维的无纺毡，每根碳纳米纤维具有表面部分和由表面部分界定的体部分；以及多个催化剂颗粒，所述多个催化剂颗粒的至少第一部分完全地嵌入在每根碳纳米纤维的体部分内。2.如权利要求1所述的燃料电池催化剂层，还包括所述多个催化剂颗粒的第二部分，所述多个催化剂颗粒的第二部分嵌入在每根碳纳米纤维的表面部分内。3.如权利要求2所述的燃料电池催化剂层，其中，所述多个催化剂颗粒的第一部分与所述多个催化剂颗粒的第二部分之比为至少1:3。4.如权利要求1所述的燃料电池催化剂层，其中，所述多个催化剂颗粒包括具有1nm至20nm的平均直径的纳米颗粒。5.如权利要求1所述的燃料电池催化剂层，其中，所述多个催化剂颗粒包括金属铂。6.如权利要求1所述的燃料电池催化剂层，其中，碳纳米纤维具有至多300nm的直径，且催化...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·S·苏莱克，凯文·詹姆斯·洛兹，詹姆士·A·亚当斯，詹姆士·瓦尔德克，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US