[发明专利]通过螺旋位错持续生长形成纳米结构层

说明书

技术领域

本发明整体涉及薄膜纳米结构层的制造方法。

背景技术

电化学装置，诸如质子交换膜燃料电池、传感器、电解槽、氯碱分离膜等，一直由膜电极组件(MEA)构造而成。在典型的电化学电池中使用的mEA包括例如接触阳极和阴极的离子传导膜(ICM)。这种阳极/膜/阴极结构夹在称为扩散集电器(DCC)的两个多孔导电元件之间以形成一个五层的mEA。阳极形成的离子被传送到阴极，使与电极相连的外部电路中产生电流。

ICM通常包含聚合物电解质材料，该材料构成自身的结构支承或包含在多孔结构膜中。阳离子或质子传送聚合物电解质材料可为包含阴离子基团的聚合物盐，并且通常是部分或全部氟化的。

一直以来，燃料电池mEA被构造成使用铂或碳载铂催化剂的施加分散体形式的催化剂电极。一种用于聚合物电解质膜的催化剂形式是通过湿化学方法(诸如还原氯铂酸)涂布到较大的碳粒上的铂或铂合金。利用离聚物粘合剂、溶剂和颗粒(常用聚四氟乙烯(PTFE))来分散这种形式的催化剂，以形成涂布到膜或扩散集电器上的油墨、糊剂或分散体。

近来，已使用承载催化材料颗粒或薄膜的纳米结构化支承元件形成催化剂层。所述纳米结构催化剂电极可被引入非常薄的ICM表面层中，形成密实分布的催化剂颗粒。使用纳米结构薄膜(NSTF)催化剂层可更为高效地利用催化剂和获得比通过分散法形成的催化剂层更加耐用的催化剂。

本发明描述用于电化学装置的增大催化剂层的制造方法，并且提供各种优于现有技术的优点。

发明内容

本发明涉及一种通过支承元件的持续生长形成伸展的纳米结构化支承元件的方法。由本文所述的工艺形成的纳米结构化支承元件可用于多种化学和电化学装置。

本发明的一个实施例涉及一种形成纵向伸展的纳米结构化支承元件的方法。在基底上沉积材料的第一层。使该层退火以形成纳米结构化支承元件层。在所述纳米结构化支承元件上沉积该材料的第二层。使该第二层退火以纵向延伸的纳米结构化支承元件。

例如，用于形成伸展的纳米结构化支承元件的材料包括基于有机物的材料，诸如苝红。可以在温度约160℃到约270℃的真空中使第一和第二层退火约2分钟到约6小时。所述纳米结构化支承元件的顶端具有螺旋位错。使材料的第二层退火让纳米结构化支承元件在螺旋位错处继续生长。

伸展的纳米结构化支承元件可具有在约3∶1到约200∶1范围内的长度与平均横截面尺寸直径的纵横比、大于约1.5μm的长度以及每平方厘米的纳米结构化支承元件数在约10⁷到约10¹¹范围内的面密度。

根据本发明的一个方面，可在显微织构基底上形成伸展的纳米结构化支承元件。根据本发明的另一个方面，该基底可为扩散集电器。

可用催化剂材料涂布伸展的纳米结构化支承元件以形成纳米结构薄膜催化剂层。根据一项具体实施，催化剂材料包含金属，诸如铂族金属。催化剂涂布延伸的纳米结构化支承元件可被转移到离子传导膜的至少一个表面，以形成催化剂涂布膜。催化剂涂布纳米结构元件的转移涉及使催化剂涂布纳米结构元件紧靠离子传导膜的表面放置并施加压力和可选的热量，以将催化剂涂布纳米结构元件粘结到该膜上。

根据本发明的一个方面，伸展的纳米结构化支承元件可用于形成纳米结构薄膜催化剂层，该层可用于膜电极组件和电化学装置，诸如燃料电池和电解槽。

本发明的以上概述并非旨在描述本发明的每个实施例或本发明的每项具体实施。通过结合附图，参见下面的具体实施方式以及权利要求，将清楚地体会本发明的优点和成就以及更加全面地理解本发明。

附图说明

图1是根据本发明的实施例制造具有延伸的纳米结构化支承元件的层的方法的流程图；

图2是根据本发明的实施例制造催化剂涂布离子传导膜的方法的流程图；

图3是一个表面的横截面的扫描电子显微图，其中纳米结构层符合根据本发明实施例的显微织构形状；

图4A示出燃料电池，该电池利用根据本发明的实施例形成的一个或多个纳米结构催化剂层；

图4B示出含有mEA的燃料电池组件的实施例，所述mEA具有根据本发明的实施例形成的纳米结构催化剂层；

图5-8示出可以利用如本文实施例所示的燃料电池组件的系统；

图9A和9B是扫描电镜(SEM)图像，图示说明根据本发明的实施例生成的纳米结构化支承元件的长度增大；

图10A和10B是可从中确定每单位面积的纳米结构化支承元件数的SEM平面图；以及