CN110603675A - 导电的碳材料的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种导电的碳材料(1)在用于燃料电池的催化剂层(7)中用于改善离聚物(6)在催化剂层(7)中的分布的应用。碳材料(1)在此具有包含碳原子(3)和氮原子(4)的碳晶格(2)。
Description
技术领域
本发明涉及一种导电的碳材料在用于燃料电池的催化剂层中的应用。
背景技术
燃料电池是能量产生系统，其例如通过氢和氧的电化学转化而产生电能。燃料电池在此大多包括多个上下堆叠的单电池，每个单电池通常包括阴极、阳极和在这些电极之间的膜。阴极和阳极在此是单电池的催化活性层并且也称为催化剂层。它们分别位于膜的一侧上并且包含碳载催化活性材料。作为粘合剂并且也为了改善质子传导率，碳载催化活性材料通常包埋在离聚物中。当碳载体材料通过氮原子改性并且因此包含酰胺基、酰亚胺基或内酰胺基作为官能侧基时，获得离聚物与碳载体材料之间良好的相互作用。但这里的缺点是，这种改性碳载体材料易于腐蚀且缺乏稳定性，尤其是在用于动态运行的燃料电池中时。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提供一种导电的碳材料的应用，其可特别好地用于燃料电池应用中并克服现有技术的缺点。
所述任务通过使用特定氮改性的导电的碳材料来解决。根据本发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、酰亚胺基或内酰胺基形式的氮原子的常规氮改性碳材料中，氮原子仅作为碳晶格的侧基存在，而在根据本发明所使用的碳材料中，氮、确切地说一个或多个氮原子直接结合到碳晶格中。换句话说，氮是碳晶格的组成部分，其优选主要由sp2-杂化的碳原子组成并且尤其是石墨基的。
根据本发明的应用规定，碳材料是用于燃料电池的催化剂层的组成部分。催化剂层可构造为阳极或阴极并且尤其是构造为阴极。催化剂层除了碳材料外还包括至少一种催化活性材料和至少一种离聚物，其中，催化活性材料催化燃料电池反应。离聚物用作粘合剂并且也可用于改善质子传导率。
通过使用特定氮改性的碳材料改善了离聚物在催化剂层中的分布。这是因为离聚物的离子基团和碳材料之间良好的静电相互作用。通过碳晶格中碳材料的氮改性，碳材料具有更大极性。氮也可带正电，例如通过在将碳材料加工成催化剂油墨或催化剂糊剂时质子化。由此在氮与离聚物的离子基团之间、尤其是与离聚物的阴离子基团或至少极性基团、如磺酸基发生强大的库仑相互作用。这种主动相互作用能够使离聚物均匀地分布在碳材料周围。碳材料被离聚物的均匀层包围。
由于氮是碳材料的碳晶格的组成部分，因此也不会发生碳材料的降解。氮永久稳定地嵌入碳网格中，从而无论是在制造催化剂层期间还是在使用该催化剂层的燃料电池运行期间，均不会发生由离聚物移位、离聚物不均匀性或催化剂层的降解(例如由于腐蚀)引起的性能损失。催化剂层在此可简单地制造。
因此，通过根据本发明使用特定氮改性的碳材料，可获得具有永久稳定且均匀的离聚物分布的催化剂层，该催化剂层还具有高耐腐蚀性和良好的氧传输性能的特点，即使在使用该催化剂层的燃料电池动态运行期间也是如此。包括具有离聚物、催化活性材料和尤其是氮改性的碳材料的催化剂层的燃料电池的特点还在于高功率密度和使用寿命，即使该燃料电池持续在动态模式中运行。
从属权利要求具有本发明的有利扩展方案和实施方式。
根据一种有利的扩展方案，碳材料的碳晶格由碳原子和氮原子构成并且可选地附加地由氢原子和/或氧原子构成。由此可有效地改善碳材料的稳定性、尤其是其腐蚀稳定性。如果存在氢原子和/或氧原子，则它们可用于使碳晶格中的碳原子和/或氮原子饱和。替代或附加地，例如氢原子也可这样结合到一个或多个氮原子上，使得氮原子带正电。氮原子上的正电荷改善了与催化剂层中的离聚物的相互作用并实现了离聚物在催化剂层中的特别均匀的分布。
为了改善离聚物在催化剂层中的均匀分布并且尤其是为了促进在碳材料周围形成均匀的离聚物层，有利的是，碳材料中的氮含量相对于碳材料的总质量为0.2至1.2％(质量)、尤其是0.3至1.0％(质量)。
通过碳晶格具有吡啶单元和/或吡咯单元的有利扩展方案获得尤其是相对于降解反应特别稳定的碳材料。这可能是因为吡啶和吡咯单元的芳族特征，由此允许吡啶和吡咯很好地结合到碳晶格中和尤其是石墨基碳晶格中。
为了改善碳材料的导电性和稳定性，根据另一种有利的实施方式规定，碳材料被石墨化。
通过使催化剂层中碳材料的含量相对于催化剂层的总质量为25％至65％(质量)、尤其是35％至55％(质量)，可有利地获得催化剂层中特别良好的导电性。
基于高催化活性，催化活性材料优选包含至少一种贵金属，在此特别优选铂。贵金属可作为单金属或以合金或核-壳催化剂的形式使用。示例性的基于合金的贵金属催化剂包括PtPd、PtCo和PtNi。相同的金属也可形成核-壳催化剂。
基于根据本发明特定氮改性的碳材料的使用以及与此相关的催化剂层的均匀形成、尤其是在离聚物的分布方面，可有利地减少催化活性材料的比例，同时仍提供出色的催化性能。这不仅节省了成本，而且简化了催化剂层的制造。因此一种有利扩展方案的特征在于，催化活性材料的含量相对于催化剂层的总质量为0.02至0.4mg/cm2、尤其是0.06至0.1mg/cm2。
此外有利的是，离聚物选自磺酸基热塑性塑料。适合的磺酸基热塑性塑料、如PFSA的示例性类型可从杜邦公司以商品名“Nafion”或从Solvay或Asahi Kasei公司以商品名“Aquivion”购得。磺酸基团的比例改善了与特定氮改性的碳材料的相互作用，因而离聚物可特别均匀且稳定地分布在催化剂层中。
通过离聚物与碳材料的重量比为0.2至1.0并且尤其是0.25至0.70的另一种有利的扩展方案可实现具有高催化活性的高度稳定且良好的质子传导催化剂层。如果重量比在该范围内，则促进离聚物在碳材料周围的均匀分布。在碳材料周围形成特别均匀的离聚物层。换句话说，因此碳材料也均匀地分布在离聚物中。
附图说明
本发明的其它细节、特征和优点由下述说明和附图给出。其中：
图1示出根据本发明一种实施方式的碳材料的局部示意图；
图2示出根据本发明一种实施方式的催化剂层的示意图。
具体实施方式
参考一种实施例详细阐述本发明。在此，图1和2仅示出本发明的重要细节。为清楚起见，省略所有其它细节。此外，相同的附图标记表示相同的元件。
图1详细示出导电的碳材料1的局部，根据本发明，该导电的碳材料用于燃料电池的催化剂层中，该催化剂层除了碳材料1外还包含至少一种离聚物和至少一种催化活性材料。
尤其是图1示出碳材料1的碳晶格2的局部，在此碳材料1被石墨化。碳晶格2在此主要具有sp2-杂化的碳原子3和例如氮原子4。氮原子4直接嵌入碳晶格2中，即是碳晶格的组成部分并且因此是永久稳定的且以防降解的方式结合到碳晶格2中，而不仅仅是碳晶格2上的侧基的组成部分。氮原子4以吡啶单元5的形式、在此例如以吡啶环的形式结合到碳晶格2中。吡啶环在此作为芳族化合物并且因此基于其平面性非常适于结合到碳晶格2中。
通过氮原子4将一定极性引入碳材料1中，从而改善了离聚物在催化剂层中的分布并且还提高了碳材料1的稳定性，尤其是在降解反应、如腐蚀反应方面。
下面给出碳材料1的一种示例性制造说明：
将5g石墨化的导电的碳材料(如石墨化的科琴黑)在65℃在回流下在100ml浓HNO3(70％(质量))中分散30分钟。然后将所得的氧化的碳材料在热水中洗涤，以除去残留的HNO3痕量。之后，将碳材料在烘箱中干燥。在使用管式炉的情况下，在600℃至1000℃之间的温度范围内在氨流中(1L/min)将5g氧化碳材料热处理2.5小时。然后将经氨处理的碳材料用热水洗涤，以除去反应残余物。随后，再次将碳材料在烘箱中干燥。通过600℃至1000℃之间的温度范围内的高温将氮结合到碳晶格中。较低的温度不能使氮按希望结合到碳晶格中。
图2示出离聚物6在催化剂层7中的均匀分布。催化剂层7包含碳材料1，在其上设有催化活性材料8。换句话说，催化活性材料8是碳载的。碳材料1也被离聚物6的均匀层包围并且基于碳材料1和离聚物6之间良好的相互作用(尤其是库仑相互作用)特别是在所有侧上被离聚物6均匀包围。因此，除了稳定性和质子传导率之外，催化剂层7中的氧传导率或氧传输性能也得到永久改善。
本发明的上述描述仅用于说明目的并且不用于限制本发明。在本发明的范围中可在不离开本发明范围及其技术等价物的情况下实现各种改进和改型。
附图标记列表
1 碳材料
2 碳晶格
3 碳原子
4 氮原子
5 吡啶单元
6 离聚物
7 催化剂层
8 催化活性材料
Claims (10)
1.导电的碳材料(1)在用于燃料电池的催化剂层(7)中用于改善离聚物(6)在催化剂层(7)中的分布的应用，该催化剂层包括碳材料(1)、至少一种催化活性材料(8)和至少一种离聚物(6)，其中，碳材料(1)具有包含碳原子(3)和氮原子(4)的碳晶格(2)，并且
i)催化剂层(7)中碳材料(1)的含量相对于催化剂层(7)的总质量为25％至65％(质量)，和/或
ii)离聚物(6)与碳材料(1)的重量比为0.2至1.0。
2.根据权利要求1所述的应用，其中，所述碳材料(1)的碳晶格(2)由碳原子(3)和氮原子(4)构成并且可选地附加地由氢原子和/或氧原子构成。
3.根据权利要求1或2所述的应用，其中，所述碳材料(1)中的氮(4)含量相对于碳材料(1)的总质量为0.2％至1.2％(质量)、尤其是0.3％至1.0％(质量)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的应用，其中，所述碳晶格(2)具有吡啶单元(6)和/或吡咯单元。
5.根据前述权利要求中任一项所述的应用，其中，所述碳材料(1)被石墨化。
6.根据前述权利要求中任一项所述的应用，其中，所述催化剂层(7)中碳材料(1)的含量相对于催化剂层(7)的总质量为35％至55％(质量)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的应用，其中，所述催化活性材料(8)具有至少一种贵金属并且尤其是铂。
8.根据前述权利要求中任一项所述的应用，其中，所述催化活性材料(8)的含量相对于催化剂层(1)的总质量为0.02至0.4mg/cm2、尤其是0.06至0.1mg/cm2。
9.根据前述权利要求中任一项所述的应用，其中，所述离聚物(6)选自磺酸基热塑性塑料。
10.根据前述权利要求中任一项所述的应用，其中，所述离聚物(6)与碳材料(1)的重量比为0.25至0.70。
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