[发明专利]导电的碳材料的应用

说明书

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)。

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。

所述任务通过一种导电的碳材料在用于燃料电池的催化剂层中用于改善离聚物在催化剂层中的分布的应用来解决，该催化剂层包括碳材料、至少一种催化活性材料和至少一种离聚物，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)，和/或

ii)离聚物与碳材料的重量比为0.2至1.0，并且

所述碳材料中的氮含量相对于碳材料的总质量为0.3％至1.0％(质量)。