复合催化材料及含有其的燃料电池的制作方法

本公开涉及燃料电池，并且特别地涉及聚合物电解质膜(pem)类型的燃料电池。特别地，本公开涉及配置成在氧化还原模式和再生模式两者下操作的燃料电池。本公开还涉及用于此类燃料电池的一种或多种催化剂。本公开还涉及形成所述催化剂的方法。

背景技术：

1、传统的电化学燃料电池将燃料和氧化剂转化为电能和反应产物。传统的燃料电池的典型布局包括夹在阳极与阴极之间的固态聚合物离子转移膜。聚合物膜允许质子穿过膜，但阻止电子的通过。通常，阳极和阴极均由导电的多孔材料(诸如多孔碳)形成，与其结合有铂和/或其他贵金属催化剂的小颗粒。

2、阳极和阴极通常在膜的相应邻近表面处形成。这种组合通常称为膜电极组件或mea。

3、通常，聚合物膜和多孔电极层夹在流动板之间。在传统的燃料电池中，流动板提供将反应物输送到阳极和阴极以及去除反应产物的功能。燃料电池可包括多孔气体扩散层，这些多孔气体扩散层被制造成确保气体有效地扩散到阳极和阴极表面以及从阳极和阴极表面扩散，并且有助于水蒸气和液态水的管理。

4、在典型的应用中，流动板中的一个可以包括阳极流体流动场，该阳极流体流动场包括多个通道以将氢气输送到阳极。进一步地，另一个流动板可以包括阴极流动场，该阴极流动场包括多个通道以将氧化剂(例如，氧气)输送到阴极。流动场还可以布置成去除反应产物或水蒸气。

5、由于通过单个燃料电池产生的电压非常低，因此通常将多个电池串联连接，其中一个电池的阴极侧上的导电流动板被放置为与下一个电池的阳极侧上的邻近流动板电气接触。

6、为了简化串联连接的阵列或燃料电池的“堆”的构造，现有技术中已经提出利用在邻近电池之间共享的单个流动板，称为双极板。在堆的端处，即在其中的第一个燃料电池和最后一个燃料电池处，流动板可被称为“端板”。

7、本发明涉及提供对燃料电池和由此类燃料电池形成的燃料电池堆的设计的改进。

技术实现思路

1、本公开涉及特别用作燃料电池中催化剂的支撑支架的高度介孔(n掺杂)碳纳米泡沫材料、包括该(n掺杂)碳纳米泡沫材料的复合催化材料以及包括这些复合催化材料的燃料电池。

2、根据本公开的一方面，提供了一种包括一个或多个第一催化剂层的燃料电池，其中所述一个或多个第一催化剂层包含复合催化材料，该复合催化材料包括

3、催化剂，该催化剂包括第4至11族的金属或金属氧化物，和

4、导电材料，该导电材料包括导电聚合物，

5、所述催化剂和导电材料由(n掺杂)碳纳米泡沫材料支撑。

6、在一个或多个实施例中，提供了一种燃料电池(100)，该燃料电池包括：

7、一种聚合物电解质膜(101)，该聚合物电解质膜具有在一侧上的第一电极(102)，以及在相对侧上的第二电极(103)，其中聚合物电解质膜(101)、第一电极(102)和第二电极(103)布置在第一板(104)与第二板(105)之间；

8、其中第一板(104)布置成邻近第一电极(102)，并且第二板(105)布置成邻近第二电极(105)，其中第一板任选地包括形成在其面向第一电极(102)的表面中的流动通道，并且配置成向第一电极(102)提供流体并从第一电极接收流体；

9、一个或多个第一催化剂层在第一板(104)与第二板(105)之间；

10、并且其中

11、一个或多个第一催化剂层包含复合催化材料，该复合催化材料包括

12、催化剂，该催化剂包括第4至11族的金属或金属氧化物，和

13、导电材料，该导电材料包括导电聚合物，

14、所述催化剂和导电材料由(n掺杂)碳纳米泡沫材料支撑。

15、虽然本公开可进行各种修改和替代形式，但是在附图中已经通过实例的方式示出了其具体内容，并且将进行详细地描述。然而，应当理解，除了所述的特定实施例之外的其他实施例也是可能的。也覆盖了落在所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物和替代实施例。

16、上述讨论并不旨在代表当前或未来权利要求集的范围内的每个示例性实施例或每个实施方式。下文的附图和具体实施方式也例示了各种示例性实施例。结合附图考虑下文的具体实施方式可以更完全地理解各种示例实施例。

技术特征：

1.一种燃料电池，其包括一个或多个第一催化剂层，其中所述一个或多个第一催化剂层包含复合催化材料，所述复合催化材料包括

2.根据权利要求1所述的燃料电池(100)，其包括：

3.根据权利要求1或权利要求2所述的燃料电池，其中所述复合催化材料涂覆所述第一电极(102)。

4.根据权利要求3所述的燃料电池，其中所述复合催化材料具有聚结颗粒的超结构，所述颗粒具有0.01μm至2μm的直径。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池，其中所述超结构具有为单个颗粒的平均直径的至少3倍的开孔的曲折路径。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池，其中所述复合催化材料包括

7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池，其中所述导电材料包括核和壳，所述核包括导电聚合物，所述壳包括导电碳化材料。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池，其中所述导电聚合物为聚-n-芳基聚合物。

9.根据权利要求8所述的燃料电池，其中所述导电聚合物选自聚吡咯、聚苯胺或它们的混合物。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池，其中所述复合催化材料中的所述金属或金属氧化物包括钴基催化剂。

11.根据权利要求10所述的燃料电池，其中所述复合催化材料中的所述金属或金属氧化物包括金属钴。

12.根据权利要求10所述的燃料电池，其中在所述第一电极(102)上所述复合催化材料中的所述金属或金属氧化物包括嵌入具有类异质结结构的非晶态钴氧化物(coox)纳米板(cop@a-coox板)中的cop纳米颗粒。

13.根据权利要求2所述的燃料电池，其中所述第一电极(102)在所述第一板(104)与所述第一电极(102)之间的一侧上涂覆有第一复合催化材料，并且在所述第一电极与所述聚合物电解质膜之间的一侧上涂覆有第二复合催化材料。

14.根据权利要求13所述的燃料电池，其中

15.根据任一前述权利要求所述的燃料电池，其中所述(n掺杂)碳纳米泡沫材料为n掺杂碳纳米泡沫材料。

16.一种燃料电池，其包括一个或多个第一催化剂层，其中所述一个或多个第一催化剂层包含复合催化材料，所述复合催化材料包括

17.一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括串联布置的多个燃料电池，所述多个燃料电池包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池。

18.一种复合催化材料，所述复合催化材料包括

19.根据权利要求18所述的复合催化材料，其中所述第4至11族的金属或金属氧化物选自金属co、fe、ni；co、fe、ni的合金；co、fe、ni的氧化物；或它们的混合物，其中优选地，当存在时，fe处于3+氧化态。

20.根据权利要求19所述的复合催化材料，其中所述复合催化材料包括钴基催化剂。

21.根据权利要求20所述的复合催化材料，其中所述钴基催化剂为金属钴。

22.根据权利要求18至21所述的复合催化材料，其中所述导电聚合物为聚-n-芳基聚合物。

23.根据权利要求18至22中任一项所述的复合催化材料，其中所述导电聚合物是部分碳化的。

24.根据权利要求18至22中任一项所述的复合催化材料，其中所述导电材料包括核和壳，所述核包括导电聚合物，所述壳包括导电碳化材料。

25.根据权利要求18至24中任一项所述的复合催化材料，其中所述复合催化材料具有聚结颗粒的超结构，所述颗粒具有0.01μm至2μm的直径。

26.根据权利要求24所述的复合催化材料，其中所述超结构具有为单个颗粒的平均直径的至少3倍的开孔的曲折路径。

27.根据权利要求26中任一项所述的复合催化材料，其中所述超结构具有为所述单个颗粒的所述平均直径的5至50倍的开孔的曲折路径。

28.根据权利要求18至27中任一项所述的复合催化材料，其中所述材料含有1wt％至20wt％的催化金属。

29.根据权利要求18至28中任一项所述的复合催化材料，其中所述(n掺杂)碳纳米泡沫材料被所述导电材料包封。

30.根据权利要求18至29中任一项所述的复合催化材料用以促进四电子氧化还原反应的用途。

31.根据权利要求18至29中任一项所述的复合催化材料用以促进将氧转化为水的直接(一步)氧化还原反应的用途。

32.一种形成根据权利要求18和29所述的复合催化材料的方法，所述方法包括：

33.根据权利要求32所述的方法，其中步骤(ii)包括共分散所述材料并去除溶剂。

34.根据权利要求33所述的方法，其中在去除所述溶剂之后，可以任选地通过在惰性气氛中加热至足以降解所述导电聚合物的温度来部分碳化所得材料。

35.根据权利要求34所述的方法，其中在500℃至1100℃的温度下加热所述所得材料。

36.根据权利要求35所述的方法，其中将所述所得材料加热30分钟至4小时的时间。

37.根据权利要求32至36所述的方法，其中步骤(i)的聚合在与所述催化金属组合之前进行。

38.根据权利要求32至37中任一项所述的方法，其中步骤(i)中所述导电聚合物的形成在非聚合酸的存在下进行。

39.一种方法，所述方法包括将根据权利要求18至29中任一项所述的复合催化材料施加到电极。

40.根据权利要求39所述的方法，其中在碳化之前将所述复合催化材料施加到所述电极表面，并且所述部分碳化步骤在所述电极上原位进行。

41.根据权利要求40所述的方法，其中所述复合催化材料可以作为具有粘合剂的分散体施加到所述电极。

42.根据权利要求41所述的方法，其中所述粘合剂为氟化酸聚合物。

43.根据权利要求42所述的方法，其中所述粘合剂以低于5wt％使用。

技术总结
本公开涉及一种燃料电池，所述燃料电池包括复合催化材料，所述复合催化材料包括(N掺杂)碳纳米泡沫、催化金属和导电材料，所述导电材料包括导电聚合物。所述燃料电池与标准燃料电池相比，可以有利地在较低的温度下操作。

技术研发人员：扎卡里亚·奥斯汀·海姆
受保护的技术使用者：普罗米森技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/10/31