[發(fā)明專利]導(dǎo)電的碳材料的應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201880026711.2
• 申請日: 2018-05-07
• 公開（公告）號: CN110603675B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: A·奧法尼迪
• 申請（專利權(quán)）人: 寶馬股份公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/90;H01M4/92;H01M4/36;H01M4/62;B01J35/00;H01M8/10
• 代理公司: 中國貿(mào)促會專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 11038
• 代理人: 程猛

本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電的碳材料(1)在用于燃料電池的催化劑層(7)中用于改善離聚物(6)在催化劑層(7)中的分布的應(yīng)用。碳材料(1)在此具有包含碳原子(3)和氮原子(4)的碳晶格(2)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電的碳材料在用于燃料電池的催化劑層中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

燃料電池是能量產(chǎn)生系統(tǒng)，其例如通過氫和氧的電化學(xué)轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生電能。燃料電池在此大多包括多個上下堆疊的單電池，每個單電池通常包括陰極、陽極和在這些電極之間的膜。陰極和陽極在此是單電池的催化活性層并且也稱為催化劑層。它們分別位于膜的一側(cè)上并且包含碳載催化活性材料。作為粘合劑并且也為了改善質(zhì)子傳導(dǎo)率，碳載催化活性材料通常包埋在離聚物中。當(dāng)碳載體材料通過氮原子改性并且因此包含酰胺基、酰亞胺基或內(nèi)酰胺基作為官能側(cè)基時，獲得離聚物與碳載體材料之間良好的相互作用。但這里的缺點是，這種改性碳載體材料易于腐蝕且缺乏穩(wěn)定性，尤其是在用于動態(tài)運行的燃料電池中時。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種導(dǎo)電的碳材料的應(yīng)用，其可特別好地用于燃料電池應(yīng)用中并克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點。

所述任務(wù)通過使用特定氮改性的導(dǎo)電的碳材料來解決。根據(jù)本發(fā)明使用的碳材料具有包含碳原子和氮原子的碳晶格。在包含以酰胺基、酰亞胺基或內(nèi)酰胺基形式的氮原子的常規(guī)氮改性碳材料中，氮原子僅作為碳晶格的側(cè)基存在，而在根據(jù)本發(fā)明所使用的碳材料中，氮、確切地說一個或多個氮原子直接結(jié)合到碳晶格中。換句話說，氮是碳晶格的組成部分，其優(yōu)選主要由sp²-雜化的碳原子組成并且尤其是石墨基的。

根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用規(guī)定，碳材料是用于燃料電池的催化劑層的組成部分。催化劑層可構(gòu)造為陽極或陰極并且尤其是構(gòu)造為陰極。催化劑層除了碳材料外還包括至少一種催化活性材料和至少一種離聚物，其中，催化活性材料催化燃料電池反應(yīng)。離聚物用作粘合劑并且也可用于改善質(zhì)子傳導(dǎo)率。

通過使用特定氮改性的碳材料改善了離聚物在催化劑層中的分布。這是因為離聚物的離子基團(tuán)和碳材料之間良好的靜電相互作用。通過碳晶格中碳材料的氮改性，碳材料具有更大極性。氮也可帶正電，例如通過在將碳材料加工成催化劑油墨或催化劑糊劑時質(zhì)子化。由此在氮與離聚物的離子基團(tuán)之間、尤其是與離聚物的陰離子基團(tuán)或至少極性基團(tuán)、如磺酸基發(fā)生強(qiáng)大的庫侖相互作用。這種主動相互作用能夠使離聚物均勻地分布在碳材料周圍。碳材料被離聚物的均勻?qū)影鼑?/p>

由于氮是碳材料的碳晶格的組成部分，因此也不會發(fā)生碳材料的降解。氮永久穩(wěn)定地嵌入碳網(wǎng)格中，從而無論是在制造催化劑層期間還是在使用該催化劑層的燃料電池運行期間，均不會發(fā)生由離聚物移位、離聚物不均勻性或催化劑層的降解(例如由于腐蝕)引起的性能損失。催化劑層在此可簡單地制造。

因此，通過根據(jù)本發(fā)明使用特定氮改性的碳材料，可獲得具有永久穩(wěn)定且均勻的離聚物分布的催化劑層，該催化劑層還具有高耐腐蝕性和良好的氧傳輸性能的特點，即使在使用該催化劑層的燃料電池動態(tài)運行期間也是如此。包括具有離聚物、催化活性材料和尤其是氮改性的碳材料的催化劑層的燃料電池的特點還在于高功率密度和使用壽命，即使該燃料電池持續(xù)在動態(tài)模式中運行。

所述任務(wù)通過一種導(dǎo)電的碳材料在用于燃料電池的催化劑層中用于改善離聚物在催化劑層中的分布的應(yīng)用來解決，該催化劑層包括碳材料、至少一種催化活性材料和至少一種離聚物，其中，碳材料具有包含碳原子和氮原子的碳晶格，并且

i)催化劑層中碳材料的含量相對于催化劑層的總質(zhì)量為25％至65％(質(zhì)量)，和/或

ii)離聚物與碳材料的重量比為0.2至1.0，并且

所述碳材料中的氮含量相對于碳材料的總質(zhì)量為0.3％至1.0％(質(zhì)量)。