[发明专利]微孔碳催化剂载体材料

说明书

关于联邦资助研究或开发的声明

本发明根据由能源部给予的合作协议DE-FC36-03GO13106在美 国政府资助下完成。美国政府对本发明享有某些权利。

技术领域

本发明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。

背景技术

燃料电池是电化学装置，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。

发明内容

本发明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10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10纳米并且基本上不含有大于100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1纳米到10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

结合附图对本发明的各种实施例所做的以下详细描述将有利于更 完整地理解本发明，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图；

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发明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，本发明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。本发明中提供的定义为帮助对本发明中经 常使用的某些术语的理解，并且不意味着限定本发明的范围。

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。