用于燃料电池的导电聚合物接枝的碳材料制造技术

一种组合物，包括含碳颗粒材料和含有杂原子的导电聚合物。组合物还可包括金属。可制成含有所述组合物的设备，包括负载电催化剂、膜电极组件以及燃料电池。一种制备所述组合物的方法，包括在有含碳材料存在时，氧化聚合含有杂原子的导电聚合物的单体。该方法将导电聚合物接枝到含碳材料上。该方法还可包括向聚合物接枝的含碳材料喷涂金属。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
用于燃料电池的导电聚合物接枝的碳材料                     相关申请本申请要求2002年5月23日提交的序列号为60/382,666的美国临时申请的优先权，该申请通过援引的方式纳入本申请。                     专利技术背景专利
本专利技术总体涉及导电碳颗粒。本专利技术还涉及用于燃料电池和质子交换膜的负载催化剂。背景燃料电池是一种不通过燃烧即将化学反应能量转变为电能的装置(电化学设备)。燃料电池(如图1所示)通常包括阳极20、阴极50、电解质10、衬里层(backing layer)30、60和流场/集电器40、70。燃料电池依据电解质分为五类：    类型    电解质    温度    评论磷酸燃料电池(PAFC)浸于基体中的液体磷酸  175～200℃功率稳定，市场上有售熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)碳酸锂、碳酸钠和/或碳酸钾的液体溶液，浸于基体中  600～1200℃熔融碳酸盐，效率高固体氧化物燃料电池(SOFC)添加了少量氧化钇的固体氧化锆  600～1800℃无机非金属材料，功率高，工业应用碱性燃料电池(AFC)浸于基体中的氢氧化钾水溶液  90～100℃氢氧化钾电解质，NASA，非常昂贵**质子交换膜燃料电池(PEM)固体有机聚合物聚全氟磺酸  60～100℃离聚物膜，功率密度高，输出可迅速改变，便携式/自动应用直接甲醇燃料电池(DMFC)  60～100℃使用甲醇作为燃料的PEM-->**目前最引人注意的本说明书涉及质子交换膜(又叫作聚合物电解质膜)(PEM)燃料电池(又叫作固体聚合物电解质(SPE)燃料电池、聚合物电解质燃料电池和固体聚合物膜(SPM)燃料电池)。聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)包括夹在电催化剂(阴极50和阳极20)之间的质子导电性聚合物膜电解质10(如图1所示)。燃料电池中发生的氧化和还原反应有：        氧化半反应+O2→2H2O         还原半反应该电化学过程是一个非燃烧的过程，不产生大气污染物。因此，燃料电池是一种清洁的、低排放、高效率的能量源。燃料电池效率可为内燃机效率的2～3倍，并且可采用丰富的和/或可再生燃料。燃料电池使用燃料90和氧气80产生电、水和热。当使用氢气作为燃料时，水(液态和气态)是唯一的排放物。由于典型燃料电池的电压低，通常将其串连堆积(stacked)。两个半反应通常在低燃料电池操作温度下缓慢发生，因此在阳极20和阴极50的之一或两者上使用催化剂56以加快每个半反应的速度。到目前为止，铂(Pt)是最有效的贵金属催化剂56，因为铂能在PEM燃料电池温度较低的情况下产生足够高的O2还原速度。PEM燃料电池的动力学性能主要受到低速度的O2还原半反应(阴极反应)的限制，其速度比H2氧化半反应(阳极反应)慢100多倍。O2还原半反应还受到传质问题的限制。随着燃料90，例如氢气，流入燃料电池的阳极侧，催化剂56促进氢气燃料分离成电子和质子(氢质子)。氢离子穿过膜10(燃料电池的中心)，并再在催化剂56的协助下，与氧化剂80，如氧气，以及阴极侧的电子结合，生成水。不能穿过膜10的电子通过包括电动机或其它电力负荷的外电路从阳极20流到阴极50，从而消耗电池产生的功率。催化剂56用于引起电极20、50上所需的电化学反应。通常，通过将浆状电催化剂颗粒56涂覆到电解质10的表面使催化剂56混入电极/电解质的界面。当氢气或甲醇燃料进料90穿过阳极催化剂/电解质界面时，即发生电化学反应，生成质子和电子。导电阳极20与外电路-->相连，从而通过产生电流携带电子。聚合物电解质10通常是质子导体，并且在阳极催化剂上产生的质子通过电解质10迁移到阴极50。在阴极催化剂界面上，质子与电子以及氧气结合生成水。催化剂56通常是颗粒状金属，如铂，并且分散在大表面积的导电子载体52上。PEMFC中导电子载体材料52通常由碳颗粒组成。碳的导电率(10-1～10-2S/cm)有助于电子从催化剂56到达外电路。通常添加质子导电材料54，如Nafion，以促进质子从催化剂56到膜界面的迁移。为促进质子和电子的形成及迁移，并防止膜10干枯，燃料电池在湿润的环境中工作。为产生上述环境，氢气燃料90和氧气80气体在进入燃料电池前进行增湿。在载体上的电催化剂(52+56)中，碳是相对疏水的，因此，反应气、水和由碳构成的固体电极表面之间的界面接触造成燃料电池的高电接触电阻和欧姆电功率损失，导致燃料电池的效率较低。本专利技术中，用含杂原子导电聚合物接枝的磺化碳材料表现出亲水性并从而促进增湿。此外，所述聚合物更高的电子传导率有利于电子的迁移过程。普通的电解质在有水存在的情况下解离出带正电的离子和带负电的离子，从而使水溶液导电。PEM燃料电池中的电解质是聚合物膜10。通常，膜材料(例如Nafion)的厚度在50～175μm的范围内变化。聚合物电解质膜10不寻常之处在于，当存在有膜10容易吸收的水时，负离子易于约束在其结构中。只有膜10内包含的质子是可移动的并能自由地携带正电荷穿过膜10。如果电池中没有该移动，电路就会保持开路状态而没有电流流动。聚合物电解质膜10可以是较坚固、稳定的物质。这些膜10还可以是有效的气体隔离物。PEM虽然是离子导电体，但并不传导电子。结构的有机性使其成为电绝缘体。由于电子不能穿过膜10，因此在电池一侧产生的电子必须经过外电路到达电池的另一侧以构成回路。就是在该外部路径中，电子提供了电源。聚合物电解质膜10可以是固体有机聚合物，通常为聚(全氟磺)酸。典型的膜材料，Nafion，由三个区域组成：(1)Teflon的同类物，氟碳主链，长度方向上有上百个重复的-->-CF2-CF-CF2-单元，(2)侧链，-O-CF2-CF-O-CF2-CF2-，将分子主链与第三区域连接起来，以及(3)由磺酸根离子、SO3-、H+组成的离子簇。负离子，SO3-，持久地连在侧链上并且不能移动。然而，当膜10因吸收水之故而水合后，氢离子就变得可移动。质子与水分子结合，在膜内从SO3-位点(SO3- site)到SO3-位点迁移，于是产生离子移动。由于上述机理，固体水合电解质是一种优良的氢离子导体。催化剂载体52用于传导电子和质子，并固着(anchor)催化剂56(如贵金属)。由于贵金属的成本高，因此，为通过降低贵金属(如铂)催化剂56的含量以减少燃料电池的成本，付出了很多努力。一种降低该成本的方法是使催化剂载体层52的表面积尽可能的大。燃料电池的电极20、50通常由碳52构成，其上分散有非常小的金属颗粒56。电极稍呈多孔状，使气体可通过各个电极扩散到催化剂56上。金属56和碳52都能良好地传导电子，因此电子能自由穿过电极。金属颗粒56的尺寸小，对于贵金属其直径约为2nm，导致气体分子能到达的金属56总表面积大。即使金属56的总质量小，其总表面积也很大。催化剂56的高分散是在燃料电池中产生充足电子流(电流)的一个因素。导电聚合物是一类共轭双键聚合物，其导电率与半导体到金属的导电率相当，在0.1～100S/cm的范围内。导电聚合物的典型实例包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚呋喃和聚亚苯基。聚苯胺和聚吡咯催化剂载体52材料均表现出改本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种组合物，包括含碳颗粒材料和含有杂原子的导电聚合物，其中导电聚合物接枝到含碳材料上。

【技术特征摘要】
US 2002-5-23 60/382,6661.一种组合物，包括含碳颗粒材料和含有杂原子的导电聚合物，其中导电聚合物接枝到含碳材料上。2.根据权利要求1的组合物，其特征在于含碳材料是炭黑。3.根据权利要求1的组合物，其特征在于含碳材料是炭黑、石墨、纳米碳、富勒分子、富勒分子材料、细分散的碳或其混合物。4.根据权利要求1的组合物，其特征在于含碳材料低于组合物的约98％。5.根据权利要求1的组合物，其特征在于含碳材料为组合物的约50％～约80％。6.根据权利要求1的组合物，其特征在于导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚呋喃、聚噻吩或其混合物。7.根据权利要求1的组合物，其特征在于导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚呋喃、聚噻吩、聚对苯醚、聚对苯硫醚、取代的导电聚合物或其混合物。8.根据权利要求1的组合物，其特征在于杂原子为N、O和S。9.根据权利要求1的组合物，其特征在于杂原子根据XPS数据为组合物的约0.2％～15％。10.根据权利要求1的组合物，其特征在于导电聚合物高于组合物的约0％且低于约100％。11.根据权利要求1的组合物，其特征在于导电聚合物为组合物的约2％～约50％。12.根据权利要求1的组合物，其特征在于导电聚合物为组合物的约20％～约50％。13.根据权利要求1的组合物，其特征在于聚合物是在有含碳材料存在时通过氧化聚合导电聚合物的单体而同时形成和接枝的。14.根据权利要求1的组合物，还包括金属。15.根据权利要求14的组合物，其特征在于金属为铂。16.根据权利要求14的组合物，其特征在于组合物的约2％～约80％是金属。17.根据权利要求14的组合物，其特征在于组合物的约2％～约60％是金属。-->18.根据权利要求1 4的组合物，其特征在于组合物的约20％～约40％是金属。19.根据权利要求14的组合物，其特征在于金属均匀分布在组合物的表面。20.一种制备导电子率更高的碳的方法，包括在有含碳颗粒材料时，氧化聚合含有杂原子的导电聚合物的单体以形成导电聚合物接枝的含碳材料。21.根据权利要求20的方法，其特征在于含碳材料是炭黑、石墨、纳米碳、富勒分子、富勒分子材料、细分散的碳或其混合物。22.根据权利要求20的方法，其特征在于含碳材料是炭黑。23.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：S博利帕里，
申请(专利权)人：哥伦比亚化学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]