[发明专利]燃料电池催化剂层及其形成方法和包括其的燃料电池

说明书

技术领域

本公开涉及例如用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的碳纳米纤维催化剂基体。

背景技术

燃料电池(例如，氢燃料电池)是用于驱动车辆的可行的可替代能源。通常，燃料电池包括负极(阳极)、电解质和正极(阴极)。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，电解质是电绝缘但允许质子穿过的固体的质子传导膜。通常，在阳极处使用双极板或流场板引入燃料源(诸如，氢)，燃料源在阳极处与催化剂反应并分裂成电子和质子。质子通过电解质行进至阴极，电子穿过外电路并随后至阴极。在阴极处，从另一双极板引入的空气中的氧在另一催化剂处与这些电子和质子反应以形成水。这些催化剂中的一种或两种通常由贵金属或贵金属合金(通常为铂或铂合金)形成。

发明内容

在至少一个实施例中，提供一种燃料电池催化剂层，所述燃料电池催化剂层包括：催化剂基体，包括碳纳米纤维的无纺毡，每根碳纳米纤维具有表面部分和由表面部分界定的体部分；多个催化剂颗粒，所述多个催化剂颗粒的至少第一部分完全地嵌入在每根碳纳米纤维的体部分内。

在一个实施例中，催化剂层还包括催化剂颗粒的第二部分，催化剂颗粒的第二部分嵌入在每根碳纳米纤维的表面部分内。催化剂颗粒的第一部分与催化剂颗粒的第二部分之比可以为至少1:3。催化剂颗粒可包括具有1nm至20nm的平均直径的纳米颗粒。催化剂颗粒可包括金属铂。碳纳米纤维可具有至多300nm的直径，且催化剂基体可具有5μm至12μm的厚度。在一个实施例中，催化剂颗粒包括铂，且催化剂层具有至少0.5mA/cm²的比活性和至少200A/g(Pt)的质量活性。碳纳米纤维可具有形成在其中的多个孔。在一个实施例中，所述多个孔中的至少一部分是相互连接的开孔(open pores)。

在至少一个实施例中，提供一种形成燃料电池催化剂层的方法。所述方法可包括：将包括基体聚合物、溶剂和催化剂前驱体的组合物纺丝成嵌入有催化剂前驱体的无纺纤维毡；将无纺纤维毡碳化以形成碳纤维基体；使催化剂前驱体反应以形成嵌入在碳纤维基体中的催化剂颗粒。

纺丝步骤可包括电纺出具有小于300nm的平均直径的纳米纤维。基体聚合物可包括聚丙烯腈(PAN)、PAN共聚物或PAN衍生物，溶剂包括二甲基甲酰胺(DMF)。催化剂前驱体可包括氯铂酸，反应步骤可形成金属铂催化剂颗粒。反应步骤可包括使催化剂前驱体还原以形成具有1nm至20nm的平均直径的催化剂颗粒。组合物还可包括与溶剂不互溶的液体，纺丝步骤可包括将所述组合物纺丝成具有多孔纤维的无纺纤维毡。在一个实施例中，溶剂与不互溶液体的混合物包括0.5wt％至20wt％的不互溶液体。

在至少一个实施例中，提供一种燃料电池，所述燃料电池包括阳极、阴极和质子交换膜。阳极和阴极中的至少一个可包括催化剂层，所述催化剂层包括：催化剂基体，包括多根电纺丝碳纳米纤维，每根电纺丝碳纳米纤维具有表面部分和由表面部分界定的体部分；以及多个铂纳米颗粒，分布在每根碳纳米纤维的整个体部分中。

铂纳米颗粒可以是金属铂且具有1nm至20nm的平均直径。在一个实施例中，碳纳米纤维具有形成在其中的多个互相连接的开孔。所述多个铂纳米颗粒可均匀地分布在每根碳纳米纤维的整个体部分中。

附图说明

图1是根据实施例的质子交换膜燃料电池(PEMFC)的分解视图；

图2是根据实施例的示出阳极、阴极和质子交换膜的组件的PEMFC的截面图；

图3是根据实施例的电纺丝系统的示意图；

图4是根据实施例的电纺丝纤维催化剂基体的示意图；

图5是根据实施例的形成纺丝燃料电池催化剂层的方法的流程图；

图6是其上沉积有铂颗粒的电纺丝碳纳米纤维(CNF)催化剂基体的扫描透射电子显微镜(STEM)图；

图7是其中嵌入有铂颗粒的电纺丝碳纳米纤维(CNF)催化剂基体的STEM图；

图8是示出标准的催化剂、非嵌入式催化剂和嵌入式催化剂在寿命开始(BOL)、7500次循环和15000次循环处旋转盘电极(RDE)比活性数据的图；以及

图9是示出标准的催化剂、非嵌入式催化剂和嵌入式催化剂在BOL、7500次循环和15000次循环处RDE质量活性(mass activity)数据的图。

具体实施方式