微孔碳催化剂载体材料制造技术

一种微孔碳催化剂载体材料，包含微孔碳骨架层，所述微孔碳骨架层的平均孔径为０．１纳米到１０纳米并且基本上不含有大于１微米的孔，和位于所述微孔碳骨架层之上或之中的多个催化剂粒子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及微孔碳催化剂载体材料，包含所述微孔碳催化剂载体 材料的燃料电池扩散层，和包含所述燃料电池扩散层的燃料电池。
技术介绍
燃料*池是电化学装置，其可通过燃料(例如氢)和氧化剂(例 如氧)的催化组合生成可用的电力。与常规的发电厂相反，燃料电池 不利用燃烧。因此，燃料电池排放的有害流出物很少。燃料电池将氢 燃料和氧直接转换为电力，与内燃发电机相比可以以更高效率工作。燃料电池，例如质子交换膜燃料电池，经常包含膜电极组件 (MEA)，所述膜电极组件由设置于一对催化剂层之间的电解质膜形 成，所述一对催化剂层被相应地设置于一对气体扩散层之间。所述电 解质膜的两侧被分别称为为阳极部分和阴极部分。在典型的质子交换 膜燃料电池中，氢燃料被引入所述阳极部分，并且在所述阳极部分中 氢发生反应分离成质子和电子。所述电解质膜将所述质子传递到所述 阴极部分，同时允许电子流流过外部电路到达所述阴极部分以提供能 量。氧被引入所述阴极部分，与所述质子和电子发生反应生成水和热。
技术实现思路
本专利技术涉及微孔碳催化剂载体材料，包含所述微孔碳催化剂载体 材料的燃料电池扩散层，和包含所述燃料电池扩散层的燃料电池。在第一个实施例中，微孔碳催化剂载体材料包含微孔碳骨架，所述碳骨 架的平均孔径为0.1纳米到IO纳米并且基本上不含有大于1微米的孔， 和多个位于所述微孔碳骨架层之上或之中的催化剂粒子。在另一个实施例中，燃料电池气体扩散层包含碳纤维基底层，与 所述碳纤维基底层相邻的微孔碳骨架层，和多个位于所述微孔碳骨架 层之上或之中的催化剂粒子。所述微孔碳骨架层的平均孔径为0.1纳米到io纳米并且基本上不含有大于ioo纳米的孔。在另一个实施方案中，燃料电池包含具有第一表面的电解质膜， 和设置在所述第一表面上的燃料电池气体扩散层。燃料电池气体扩散 层包含碳纤维基底层，与所述碳纤维基底层相邻的微孔碳骨架层，和 多个位于所述微孔碳骨架层之上或之中的催化剂粒子。所述微孔碳骨架层的平均孔径为0.1纳米到10纳米并且基本上不含有大于100纳米的孔至少所选择的催化剂粒子与所述第一表面相接触。在另一个实施例中，形成燃料电池气体扩散层的方法包括以下步 骤从烃气体形成烃等离子体，将所述烃等离子体沉积于所述碳纤维 基底层附近以形成烃层，加热所述烃层并除去至少一部分氢，从而生成微孔碳骨架层，所述微孔碳骨架层的平均孔径为l纳米到IO纳米并 且基本上不含有大于100纳米的孔。多个催化剂粒子位于所述微孔碳骨架层之上或之中。 附图说明结合附图对本专利技术的各种实施例所做的以下详细描述将有利于更 完整地理解本专利技术，其中，图1是示例性燃料电池的示意性剖视图； 图2是示例性微孔碳催化剂载体材料的示意性剖视图； 图3是示例性燃料电池气体扩散层的示意性剖视图； 图4是实例中的燃料电池结果的6图5是实例中的燃料电池结果的图；及 图6是实例中的交流阻抗结果的图。附图不一定是按照比例绘制的。图中同样的数字代表同样的元件。 然而，应理解，在某张图中使用某个数字指代某个元件，不意味着对 另一张图中相同数字所代表的元件有限制。具体实施例方式在下面描述中，参考了附图并作为其，其中用于阐述几个具体的 实施例。应当理解，设想并且在不脱离本专利技术的范围或精神情况下可 实施其他的实施例。因此，以下的具体实施方式不被用来作为限制。除非另外指明，本专利技术中使用的所有的科学和技术术语具有在本 领域中所普遍使用的含义。本专利技术中提供的定义为帮助对本专利技术中经 '常使用的某些术语的理解，并且不意味着限定本专利技术的范围。除非另外指明，在所有情况下，说明书和权利要求书中用来表述 特征尺寸、数量和物理特性的所有数字均应理解为由术语约来修 饰。因此，除非有相反的指示，否则在前述的说明书和所附权利要求 中给出的数值参数均为近似值，这些近似值可以根据本领域技术人员 利用本文所公开的教导内容所需获得的特性而有所不同。由端点表述的数值范围包括归入该范围内的所有数值(例如，1至5包括1、 1.5、 2、 2.75、 3、 3.80、 4、和5)以及在此范围内的任何 范围。本说明书以及所附权利要求中的单数形式一种、所述涵 盖所指代事物的复数，除非文中另外明确指出。除非文中另外明确指 出，本说明书和所附权利要求中使用的术语或的含义通常包括和 域，，。术语多孔，当用于与材料相关时，意思是指所述材料包含遍 及其体积的孔的相连网络，所述孔可以是，例如，开口，空隙空间或其他通道。术语尺寸，当用于与孔相关时，意思是指具有圆形横截面的 孔的孔径，或可能横穿具有非圆形横截面的孔的最长的横截面弦的长 度。术语微孔，当用于与材料相关时，意思是指所述材料是多孔的，平均孔径为约0.1纳米到100纳米。术语无定形意思是指基本 上无规排列的没有X射线衍射峰值或适度的X射线衍射峰值的非晶材料。术语等离子体意思是指部分电离的气态的或流体状态的包含 反应性粒子的物质，所述反应性粒子包括电子，离子，中性分子，自 由基，以及其他激发态的原子和分子。当所述等离子体中包含的粒子 从各个激发态弛豫返回到较低能量态或基态时，通常从所述等离子体 发射出可见光以及其他辐射。术语烃是指由碳元素和氢元素组成的有机物。术语催化剂是指任何影响化学反应速率而本身不被消耗或发 生化学变化的物质。术语基本上不含有大于X的孔是指孔径大于X的孔的数量百 分数小于0.1%，或小于0.05%，或小于0.01%。本公开涉及微孔碳催化剂载体材料，包含所述微孔碳催化剂载体 材料的燃料电池扩散层，和包含所述燃料电池扩散层的燃料电池。所述微孔碳催化剂载体材料具有可控的孔径。特别是，本专利技术涉及具有 微孔碳骨架层的微孔碳催化剂载体材料，所述微孔碳骨架层的平均孔径为0.1纳米到10纳米并且基本上不含有大于1微米或小于100纳米的孔，以及由这些材料形成的气体扩散层和燃料电池制品。所述碳骨 架由以下方法制备，以等离子体气体相进行等离子体沉积无规的共价 网络烃膜，然后加热(即热处理)所述烃薄膜从而从所述交联网络或 碳骨架中除去氢。可以在沉积期间对所述无规共价网络的密度进行精 确调整，其允许对所得碳骨架的孔径和分布进行精确控制。因此，可 以为最佳的燃料电池运行而控制和设计催化反应可用的孔隙率和表面 积。另外所得的碳骨架层，根据需要，可以是疏水的或亲水的。然而 本专利技术不限于此，对本专利技术各个方面的理解将通过对以下提供的实例 的讨论获得。图1是示例性的燃料电池58的示意性剖视图。图示的燃料电池 或质子交换膜燃料电池包含与外部电路60联用的膜电极组件(MEA)。 燃料电池是电化学电池，其通过催化化合诸如氢的燃料和诸如氧的氧 化剂来产生可用的电力。典型的膜电极组件包含聚合物电解质膜66(亦 称离子导电膜(ICM)，起到固体电解质的作用。所述聚合物电解质膜 66的一个面与阳极电极层62接触，反面与阴极电极层64相接触。每 个电极层包含电化学催化剂68, 10,所述电化学催化剂常常包含金属。 气体扩散层(GDL) 72, 70帮助气体在所述阳极电极材料和阴极电极材 料之间传输并传导电流。在代表性的燃料电池中，质子在阳极62上通过氢的氧化形成，被 传输穿过聚合物电解质膜66到达阴极64从而与氧反应，使电流流经 连接所述电极的外部电路60。所述GDL也可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微孔碳催化剂载体材料，包含：　微孔碳骨架，所述微孔碳骨架的平均孔径为０．１纳米到１０纳米并且基本上不含有大于１微米的孔；和　多个催化剂粒子，所述催化剂粒子位于所述微孔碳骨架之上或之中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-5-11 11/747,6061.一种微孔碳催化剂载体材料，包含微孔碳骨架，所述微孔碳骨架的平均孔径为0.1纳米到10纳米并且基本上不含有大于1微米的孔；和多个催化剂粒子，所述催化剂粒子位于所述微孔碳骨架之上或之中。2. 根据权利要求l所述的微孔碳催化剂载体材料，其中所述微孔 碳骨架的平均孔径为1纳米到10纳米并且基本上不含有大于100纳米 的孔。3. 根据权利要求1所述的微孔碳催化剂载体材料，其中所述微孔 碳骨架层基本上由f组成。4. 根据权利要求l所述的微孔碳催化剂载体材料，其中所述微孔 碳骨架层的孔隙率为10%或更大。5. 根据权利要求l所述的微孔碳催化剂载体材料，其中所述微孔 碳骨架层是疏水的。6. 根据权利要求l所述的微孔碳催化剂载体材料，其中所述微孔 碳骨架层形成厚度为0.1微米到10微米的层，并且所述催化剂被设置 在所述微孔碳骨架层之上或之中，所述微孔碳骨架层的平均孔径为1 纳米到IO纳米并且基本上不含有大于100纳米的孔。7. 根据权利要求l所述的微孔碳催化剂载体材料，其中所述催化 剂粒子还原氧。8. —种燃料电池气体扩散层，包含碳纤维基底层；与所述碳纤维基底层相邻的微孔碳骨架层，所述微孔碳骨架层的 平均孔径为0.1纳米到IO纳米并且基本上不含有大于100纳米的孔； 和多个催化剂粒子，所述催化剂粒子位于所述微孔碳骨架层之上或之中。9. 根据权利要求8所述的燃料电池气体扩散层，其中所述微孔碳 骨架层是疏水的。10. 根据权利要求8所述的燃料电池气体扩散层，还包括设置在 所述碳纤维基底层上的碳纳米管并且所述微孔碳骨架层设置在所述碳 纳米管上。11. 根据丰又利要求8所述的燃料电池气体扩散层，其中所述微孔 碳骨架层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉多斯拉夫阿塔纳索斯基，莫瑟斯M大卫，艾莉森K施默克尔，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]