燃料电池的催化剂材料的制作方法
【专利摘要】形成催化剂材料的方法包括用离聚物材料涂覆催化剂支撑颗粒的团块。在涂覆了催化剂支撑颗粒的团块之后，催化剂金属前体通过化学渗透被沉积在催化剂支撑颗粒的团块的外围表面上。催化剂金属前体此后被化学还原以形成在催化剂支撑颗粒的团块的外围表面上的催化剂金属。
【专利说明】燃料电池的催化剂材料
【背景技术】
[0001]本公开涉及催化剂材料，更具体地，涉及催化剂金属的定向沉积的方法。
[0002]燃料电池和其它类型的设备通常利用电活性材料。例如，典型的燃料电池可包括阳极催化剂层、阴极催化剂层和在阳极和阴极催化剂层之间的电解质以在燃料和氧化剂之间的已知电化学反应中产生电流。催化剂层通常包括催化材料，例如钼，其被支撑在碳颗粒上。不过，催化材料仅在其可接触质子、电子和相应的反应剂燃料或氧化剂时才是有活性的。催化剂层中的可接触质子、电子和相应的反应剂的区域被称为三相边界。
【发明内容】
[0003]公开了形成催化剂材料的方法。该方法包括用离聚物材料涂覆催化剂支撑颗粒的团块。在涂覆了催化剂支撑颗粒的团块之后，催化剂金属前体通过化学渗透被沉积在催化剂支撑颗粒的团块的外围表面上。催化剂金属前体此后被化学还原以形成在催化剂支撑颗粒的团块的外围表面上的催化剂金属。
[0004]在另一方面，示例燃料电池装置包括电解质层和第一和第二催化剂层，该第一和第二催化剂层被布置在电解质层的相应的相对侧。第一和第二催化剂层中的至少一个包括被分散在离聚物材料中的催化剂支撑颗粒的团块以及相对于在团块内的非外围表面被基本上沉积在催化剂支撑颗粒的团块的外围表面上的催化剂金属。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]公开的示例的各种特征和优点将通过下面具体描述使本领域技术人员易于理解。所述具体描述的附图可被简要地描述如下:
图1图示了示例燃料电池装置。
[0006]图2图示了在定向沉积过程中形成催化剂材料的示例方法。
[0007]图3图示了现有技术的离聚物电极材料。
[0008]图4图示了根据本公开的示例离聚物电极材料。
【具体实施方式】
[0009]图1示意性地图示了示例燃料电池20的所选的部分。在这个示例中，示出了单个的燃料电池20。不过，应该理解，多个燃料电池单元22可以已知方式被堆叠在燃料电池20内以产生期望量的电能。还应该理解的是，这个公开不限于示例燃料电池20的布置，并且本文公开的概念可应用于其它的燃料电池布置或其它的催化设备。
[0010]如所示，燃料电池20包括电极组件24，其被布置在阳极流场26和阴极流场28之间。例如，阳极流场26可传递燃料，例如氢气，到电极组件24。类似地，阴极流场28可传递氧气，例如空气，到电极组件24。在这方面，阳极流场26和阴极流场28不限于任何特定的结构，而是可包括通道等以用于传递反应气体到电极组件24。
[0011]电极组件24包括阳极催化剂层30和阴极催化剂层32。电解质层34被布置在阳极催化剂层30和阴极催化剂层32之间以在电化学反应中在他们之间传导离子以产生电流。在一些示例中，电解质层34可以是聚合物电解质膜、固体氧化物电解质或其它类型的适合于维持电化学反应的电解质。
[0012]例如，在阳极催化剂层30处的氢气分解成质子和电子，质子被传导通过电解质层34到达阴极催化剂层32，而电子流过外部电路36以给负载38供能。来自外部电路36的电子在阴极催化剂层32处与质子和氧组合形成副产品水。
[0013]如下面将更具体描述的，阳极催化剂层30、阴极催化剂层32或这两者是离聚物电极。离聚物电极包括催化剂支撑颗粒的团块40，这些团块被分散在离聚物材料42中。相对于在团块40内的非外围表面48,催化剂金属44被基本上沉积在团块40的外围表面46上(见图4)。如也将在下面被更具体地描述的，本文中公开的离聚物电极是使用定向沉积技术制造的，该技术将催化剂金属44基本上沉积在团块40的外围表面46上，由此增加了在离聚物电极的三相边界处的催化剂金属44的量。
[0014]阳极催化剂层30、阴极催化剂层32或这两者可使用形成催化剂材料的方法50制造，见图2中所示。催化剂金属44的定向沉积的方法50基本上包括涂覆步骤52、沉积步骤54和化学还原步骤56。如所示，涂覆步骤52包括用离聚物材料42涂覆催化剂支撑颗粒的团块40。在步骤52中的涂覆后，沉积步骤54被用于将催化剂金属前体通过化学渗透沉积在催化剂支撑颗粒的团块40的外围表面46上。在化学还原步骤56中，催化剂金属前体被化学还原以形成催化剂金属44。
[0015]形成离聚物电极材料的比较技术导致了大量的催化剂金属44被沉积在催化剂支撑颗粒的团块40的非外围表面48上，如在图3中所示。在该比较技术中，催化剂金属44被预沉积在各个催化剂支撑颗粒上并且此后与离聚物材料42混合。在混合期间，催化剂支撑颗粒形成团块40，使得大量的催化剂金属44位于邻近的催化剂支撑颗粒之间。支撑颗粒的邻近的表面构成了非外围表面48并且这些表面不是如期望地在三相边界处。结果，催化剂金属44中的许多位于非外围表面48上的催化剂金属在设备中都是非活性的。
[0016]如现在将被描述的，催化剂金属44的定向沉积的方法50将催化剂金属44基本上沉积在团块40的外围表面46上，如在图4中所示。在这种情况下，催化剂金属44中的至少大多数都位于外围表面46上。在进一步的示例中，团块40的非外围表面48基本上没有催化剂金属44。
[0017]在一个示例中，涂覆步骤52包括混合催化剂支撑颗粒和离聚物以及溶剂。作为示例，离聚物可以是含氟聚合物，例如美国E.1.杜邦生产的全氟磺酸。溶剂可以是异丙醇、水、或它们的混合物。该混合用离聚物材料42涂覆了催化剂支撑颗粒并形成了团块40。溶剂此后被去除并且所得到的团块40和被涂覆在团块40上的离聚物材料42与碳酸氢钠(NaHCO3)混合或悬浮在碳酸氢钠中。控制碳酸氢钠的量以建立目标PH水平。例如，目标PH水平在8.5和9.0之间。目标Ph水平有利于用离聚物涂覆催化剂支撑颗粒。S卩，离聚物在目标PH水平下附着到催化剂支撑颗粒。
[0018]另外，碳酸氢钠用钠离子掺杂离聚物材料42，例如所公开的含氟聚合物。被掺入离聚物材料42的钠热稳定化离聚物材料42，如下面将描述的。
[0019]接着，在沉积步骤54中，催化剂金属前体被通过化学渗透沉积在团块40的外围表面46上。在一个示例中，催化剂金属前体通过混合氯钼酸和催化剂支撑颗粒和碳酸氢钠的混合物来沉积。缓冲剂，例如氢氧化铵，可被添加到混合物以控制PH从而建立目标PH水平。作为示例，在沉积步骤54期间的目标PH水平是5.75到6.25。
[0020]目标PH水平允许氯钼酸(即，前体催化剂金属)的通过被涂覆在催化剂支撑颗粒的团块40上的离聚物材料42的化学渗透，使得催化剂金属前体沉积在团块40的外围表面46上。不受任何特定理论的约束，假设在沉积步骤54期间的目标PH范围打开了离聚物材料42内的通道，该通道允许催化剂金属前体渗透通过离聚物材料42并到达团块40的外围表面46。也即，目标PH范围打开了这些通道以允许沉积，而在目标PH范围之外的PH范围则关闭这些通道并排除或大大妨碍前体催化剂金属的沉积。
[0021]任选地，一氧化碳气体可在沉积步骤54期间被通过混合物以形成气泡，从而“毒害”催化剂金属前体并由此阻止集中沉积，这种集中沉积不然可能导致大的催化剂金属44团块。
[0022]氯钼酸、缓冲剂、和被涂覆的催化剂支撑颗粒的团块40的混合物可被搅拌预定的时间量。在一个不例中，该混合物被磁搅拌约30-60分钟。
[0023]在另一示例中，在涂覆步骤52期间的目标PH水平和在沉积步骤54期间的目标PH水平被控制以建立目标比。作为示例，在涂覆步骤52期间的目标PH水平与在沉积步骤54期间的目标PH水平的比(即，PHfftw除以pH_)是在0.5和3之间。在基于上面公开的目标PH水平的另一示例中，该比是在1.3和1.6之间。
[0024]在沉积步 骤54之后，催化剂金属前体被在化学还原步骤56中化学还原。作为示例，甲醛被添加到氯钼酸、缓冲剂、和被涂覆的催化剂支撑颗粒的混合物以还原催化剂金属前体。在化学还原步骤56期间的混合物的PH水平被控制以建立范围在5.5-6.0内的混合物的PH。
[0025]在一个示例中，甲醛被以受控的速率添加，例如，每分钟5毫升，以提高催化剂金属前体的钼的均匀化学还原。另外地，甲醛的量可被预先计算以对应已被使用的氯钼酸的量。这种还原可被进行预定的时间量，例如1.5小时。
[0026]在化学还原之后，合成基本上完成并且混合物可被过滤以去除催化剂材料。催化剂材料此后可被在水和/或碳酸氢铵中清洗并此后被干燥从而以已知方式将催化剂材料形成为相应的阳极催化剂层30和/或阴极催化剂层32。
[0027]在清洗和干燥后，催化剂材料可被在高于l5irrCT2>:tl的温度下热处理。热处理从催化剂金属44去除了杂质并由此改善了催化性能。离聚物材料42的通过钠掺杂的热稳定化使得能够实现在高于的温度下并且在220T的高温下被热处理。没有钠掺杂剂，离聚物材料往往降级并使催化剂材料不适合于用在燃料电池20中或其它的催化设备中。在热处理后，钠掺杂剂可被去除并在酸洗步骤中被氢代替。作为示例，可使用硫酸。
[0028]虽然在图示的示例中示出了特征的组合，但是不是全部这些特征需要被组合以实现本公开的各种实施例的益处。换句话说，根据本公开的实施例设计的系统不必包括在附图的任一个中示出的全部特征或者在附图中示意地示出的全部部分。而且，一个示例实施例的选择特征可与其它示例实施例的选择特征组合。
[0029]前面的描述本质上是示例性的而非限制性的。对所公开的示例的改变和改进对本领域技术人员来说是容易想到的，它们不一定脱离本公开的实质。给予本公开的法律保护范围仅可通过学习下面权利要求来确定。
【权利要求】
1.一种形成催化剂材料的方法，该方法包括: 用离聚物材料涂覆催化剂支撑颗粒的团块； 在用离聚物材料涂覆了催化剂支撑颗粒的团块之后，通过化学渗透将催化剂金属前体沉积在催化剂支撑颗粒的团块的外围表面上；以及 化学还原催化剂金属前体以在催化剂支撑颗粒的团块的外围表面上形成催化剂金属，催化剂材料包括离聚物材料、催化剂支撑颗粒的团块和催化剂金属。
2.如权利要求1所述的方法，其中，用离聚物材料涂覆催化剂支撑颗粒的团块包括将催化剂支撑颗粒与离聚物材料以及碳酸氢钠混合。
3.如权利要求2所述的方法，包括控制混合物的PH以在预定范围8.5-9.0内。
4.如权利要求1所述的方法，其中，沉积包括混合被涂覆的催化剂支撑颗粒的团块与氯钼酸并建立5.75-6.25的PH。
5.如权利要求4所述的方法，还包括使一氧化碳气体通过该混合物以形成气泡。
6.如权利要求1所述的方法，其中，沉积包括混合被涂覆的催化剂支撑颗粒的团块与氯钼酸并建立在预定范围内的该混合物的PH水平。
7.如权利要求1所述的方法，其中，涂覆催化剂支撑颗粒的团块包括混合催化剂支撑颗粒、离聚物材料和碳酸氢钠并且建立该混合物的第一预定PH水平，以及此后沉积包括混合被涂覆的催化剂支撑颗粒的团块与氯钼酸并建立第二预定PH水平，使得第一预定PH水平与第二预定PH水平的比是在0.5和3之间。
8.如权利要求7所述的方`法，其中，该比是在1.3和1.6之间。
9.如权利要求1所述的方法，其中，化学还原包括使用甲醛并在还原期间建立在5.5-6.0 的 PH 水平。
10.如权利要求1所述的方法，其中，涂覆催化剂支撑颗粒的团块包括将催化剂支撑颗粒与离聚物材料以及碳酸氢钠混合从而向离聚物掺杂钠。
11.如权利要求10所述的方法，还包括，在化学还原之后，干燥催化剂材料并且在大于151.51:/31.)2?的温度下加热催化剂材料O
12.如权利要求11所述的方法，还包括在酸中清洗催化剂材料以去除钠。
13.一种燃料电池装置，包括: 电解质层；以及 第一催化剂层和第二催化剂层，它们被布置在电解质层的相应的相反侧，第一催化剂层或第二催化剂层中的至少一个包括被分散在离聚物材料中的催化剂支撑颗粒的团块以及相对于该团块内的非外围表面被基本上沉积在催化剂支撑颗粒的团块的外围表面上的催化剂金属。
14.如权利要求13所述的燃料电池装置，其中，催化剂金属包括钼并且催化剂支撑颗粒是碳。
15.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中，离聚物材料是含氟聚合物。
【文档编号】B01J23/42GK103608954SQ201180070382
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2011年4月25日 优先权日:2011年4月25日
【发明者】S.拉马纳桑, L.R.斯托拉 申请人:联合工艺公司