一种燃料电池用碳载体、其制备方法和在燃料电池中的应用技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池用碳载体、其制备方法和在燃料电池中的应用。所述燃料电池用碳载体包括表面具有含氧官能团的碳材料和分布于所述碳材料内部孔道的固化高聚物。本发明专利技术所述燃料电池用碳材料内部孔道采用固化高聚物填充，可以防止在合成燃料电池催化剂过程中贵金属粒子进入碳材料内部孔道，缩短反应气体接触贵金属粒子的路径，减小反应气体的传输阻力，并且提高了碳载体的抗腐蚀性；而且本发明专利技术在碳材料表面引入含氧官能团，可以减少碳的憎水性，除此之外，含氧官能团还可以作为贵金属粒子的成核中心。

A carbon carrier for fuel cell, its preparation method and application in fuel cell

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池用碳载体、其制备方法和在燃料电池中的应用
本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种燃料电池用碳载体、其制备方法和在燃料电池中的应用。
技术介绍
燃料电池车被认为是实现未来汽车工业可持续发展的重要方向之一，燃料电池应该在关键材料、关键零部件等方面不断突破关键技术。燃料电池催化剂根据组成不同分为低铂催化剂、铂合金催化剂和非铂催化剂，因为铂的价格昂贵和稀有性，提高铂的利用率和减少铂的用量是降低燃料电池成本的重要研究方向之一。随着纳米技术应用到催化剂领域，理论研究发现，贵金属粒子尺寸越小，其比表面积越大，参与催化反应的活性位点越多；但大量案例表明，随着贵金属粒子尺寸进一步降低，整个催化剂的活性反而大幅度下降；进一步研究发现，贵金属粒子尺寸太小会进入催化剂碳载体内部孔道，孔道内部的贵金属粒子不能与质子导体、电子导体及反应气体接触，因此难以形成有效的三相反应界面，从而降低铂的利用率。一般而言，参与反应的铂的比表面积越大，催化剂的活性越高，并且贵金属粒子分布在碳载体孔道内部，反应气体到达贵金属粒子的输送路径变长，气体的输送阻力增大；催化反应生成的水从碳载体内部不易排出，反应气体到达碳载体内部的贵金属粒子的输送阻力进一步增大。CN101664698B公开了一种非担载型燃料电池催化剂浆料及其制备方法，其催化剂的金属纳米颗粒由导质子聚合物修饰。但是，所述方法贵金属将以碳载体和聚合物为晶核生长晶体，被还原的贵金属未完全生在在碳载体上，聚合物的电子传导能力低于碳载体，导致催化剂的电催化能力降低。CN101722049B公开了一种经质子导体修饰并以导电聚合物为载体的催化剂及制备方法。其制备方法为：先将导质子聚合物溶液加入醇水混合液中，再加入催化剂中的金属前驱体盐溶液，制导质子聚合物修饰的金属纳米胶体；将导电聚合物单体加到所制得的胶体中，加入质子酸溶液至PH<3，加导电聚合物单体的聚合引发剂使单体聚合，之后加入碳系材料，混合、过滤、干燥制得催化剂。但是其所采用的碳载体制备得到的催化剂电催化能力较差，而且反应气体的传输阻力较大。因此，本领域需要开发出一种新型燃料电池催化剂用碳载体，其具有优异的催化活性，且制备过程简单，可工业化生产。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种燃料电池用碳载体、其制备方法和在燃料电池中的应用。所述燃料电池用碳载体具有较高的抗腐蚀性，而且可以减少碳的憎水性；使用该碳载体制备的催化剂，减少了碳载体孔道内部的贵金属粒子不能与质子导体、电子导体及反应气体接触的可能性，提高了贵金属的利用率；而且可防止反应气体传输阻力增加。为达上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的目的之一在于提供一种燃料电池用碳载体，所述燃料电池用碳载体包括表面具有含氧官能团的碳材料和分布于所述碳材料内部孔道的固化高聚物。本专利技术所述燃料电池用碳材料内部孔道采用固化高聚物填充，可以防止在合成燃料电池催化剂过程中贵金属粒子进入碳材料内部孔道，缩短反应气体接触贵金属粒子的路径，减小反应气体的传输阻力，并且提高了碳载体的抗腐蚀性；而且本专利技术在碳材料表面引入含氧官能团，可以减少碳的憎水性，除此之外，含氧官能团还可以作为贵金属粒子的成核中心。图1是本专利技术提供的燃料电池用碳载体的结构示意图，图中1为固化高聚物，2为碳材料，由图中可以看出，固化高聚物分布在碳材料的内部孔道中。优选地，所述碳材料包括活性炭、石墨、石墨烯、炭黑、中孔碳、碳纤维、碳纳米纤维和碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合。优选地，所述固化高聚物为聚四氟乙烯树脂。优选地，所述含氧官能团包括羟基、羰基、醌基、酚羟基、羧基和内酯基中的任意一种或至少两种的组合。优选地，所述燃料电池用碳载体中，碳材料的含量为52wt％～93wt％，例如54wt％、55wt％、58wt％、60wt％、65wt％、70wt％、75wt％、80wt％、85wt％或90wt％等。优选地，所述燃料电池用碳载体中，固化高聚物的含量为7wt％～48wt％，例如10wt％、15wt％、20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％或46wt％等。本专利技术的目的之二在于提供一种如目的之一所述燃料电池用碳载体的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)将碳材料与有机溶剂混合，得到溶液A；(2)将含氟表面活性剂和高聚物水溶液混合，得到溶液B；(3)将所述溶液A和溶液B混合，得到固体产物，将所述固体产物煅烧，得到初步改性碳载体；(4)将所述初步改性碳载体与氧化剂水溶液混合，得到燃料电池用碳载体。本专利技术首先使用低沸点的有机溶剂将碳载体充分润湿，加入已经与氟表面活性剂混合的高聚物水溶液，使用高聚物嵌入到碳载体内部孔道以及包裹碳载体外部，使用适量溶剂清洗掉碳载体外部包裹的高聚物，将已经嵌入到碳载体内部孔道的高聚物高温煅烧固化，碳载体内部嵌入固化高聚物，提高了碳载体的抗腐蚀性；然后再将碳载体外部使用氧化剂处理，氧化处理后的碳载体，减少了碳的憎水性，增加了合成催化剂过程中贵金属粒子成核中心的数量，得到改性的燃料电池催化剂载体。使用该碳载体制备的催化剂，可有效防止贵金属粒子进入碳载体内部孔道，导致在碳载体内部的贵金属粒子表面较难形成有效的三相反应界面，提高贵金属粒子的利用率；因为贵金属粒子分布在碳载体表面，可缩短反应气体接触催化剂的路径，还可降低因催化剂反应生成的水不易排出碳载体内部孔道导致反应气体传输受阻的现象的发生，减小反应气体的传输阻力。优选地，步骤(1)所述碳材料包括活性炭、石墨、石墨烯、炭黑、中孔碳、碳纤维、碳纳米纤维和碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合。优选地，步骤(1)所述有机溶剂为沸点低于200℃的有机溶剂，优选为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丁二醇、丙三醇、丙酮和乙醚中的任意一种或至少两种的组合。优选地，步骤(1)所述碳材料与有机溶剂的质量比为(5～9):(4～16)，例如5:4、5:6、5:10、5:12、6:4、6:6、6:10、6:14、8:4、8:6、8:10、8:12或8:14等。优选地，步骤(2)所述含氟表面活性剂包括磺酸型氟表面活性剂、磺酸盐型阴离子氟表面活性剂、二醇型氟表面活性剂、全氟烷基乙氧基醚醇非离子氟表面活性剂中的任意一种或至少两种的组合。优选地，步骤(2)所述高聚物水溶液中高聚物为聚四氟乙烯树脂，聚四氟乙烯树脂具有较好的化学稳定性可提高催化剂碳载体的抗腐蚀性，聚四氟乙烯树脂具有良好的疏水性和导气性可改善燃料电池的水、气管理。优选地，步骤(2)所述高聚物水溶液中高聚物的质量浓度为1.5％～5％，例如1.8％、2％、2.2％、2.5％、2.8％、3％、3.2％、3.5％、3.8％、4％、4.2％、4.5％或4.8％等。本专利技术所述高聚物水溶液中高聚物的质量浓度为1.5％～5％，质量浓度过大，高聚物过多覆盖在碳载体表面，导致需使用大量的去离子水洗涤以去除碳载体表面覆盖的高聚物，造成高聚物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池用碳载体，其特征在于，所述燃料电池用碳载体包括表面具有含氧官能团的碳材料和分布于所述碳材料内部孔道的固化高聚物。/n

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用碳载体，其特征在于，所述燃料电池用碳载体包括表面具有含氧官能团的碳材料和分布于所述碳材料内部孔道的固化高聚物。


2.如权利要求1所述的燃料电池用碳载体，其特征在于，所述碳材料包括活性炭、石墨、石墨烯、炭黑、中孔碳、碳纤维、碳纳米纤维和碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述固化高聚物为聚四氟乙烯树脂；
优选地，所述含氧官能团包括羟基、羰基、醌基、酚羟基、羧基和内酯基中的任意一种或至少两种的组合。


3.如权利要求1或2所述的燃料电池用碳载体，其特征在于，所述燃料电池用碳载体中，碳材料的含量为52wt％～93wt％；
优选地，所述燃料电池用碳载体中，固化高聚物的含量为7wt％～48wt％。


4.一种如权利要求1-3之一所述燃料电池用碳载体的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将碳材料与有机溶剂混合，得到溶液A；
(2)将含氟表面活性剂和高聚物水溶液混合，得到溶液B；
(3)将所述溶液A和溶液B混合，得到固体产物，将所述固体产物煅烧，得到初步改性碳载体；
(4)将所述初步改性碳载体与氧化剂水溶液混合，得到燃料电池用碳载体。


5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述碳材料包括活性炭、石墨、石墨烯、炭黑、中孔碳、碳纤维、碳纳米纤维和碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)所述有机溶剂为沸点低于200℃的有机溶剂，优选为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丁二醇、丙三醇、丙酮和乙醚中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)所述碳材料与有机溶剂的质量比为(5～9):(4～16)。


6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述含氟表面活性剂包括磺酸型氟表面活性剂、磺酸盐型阴离子氟表面活性剂、二醇型氟表面活性剂、全氟烷基乙氧基醚醇非离子氟表面活性剂中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(2)所述高聚物水溶液中高聚物为聚四氟乙烯树脂；
优选地，步骤(2)所述高聚物水溶液中高聚物的质量浓度为1.5％～5％；
优选地，步骤(2)所述溶液B中含氟表面活性剂的质量浓度为0.1％～2％。


7.如权利要求4-6之一所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述溶液A和溶液B的质量比为(9～25):(96～300)；
优选地，步骤(3)所述混合的方式为搅拌或超声，优选搅拌...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱雅男，于力娜，唐柳，张克金，朱云，杨帅，
申请(专利权)人：一汽解放汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林;22