燃料电池的催化剂处理的制作方法
燃料电池的催化剂处理的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001 ] 燃料电池促进用于发电的电化学反应。燃料电池一个重要方面是催化剂的效率。如果催化剂不能够以希望的或最佳的方式表现，诸如电流密度等燃料电池性能可受到负面影响。就改善燃料电池催化剂性能已经有多种提案。
[0002]其他与燃料电池性能相关的问题涉及水分管理。例如，过饱和条件，特别是在低工作温度下，倾向于减弱燃料电池性能。燃料电池膜变干是性能达不到最佳的另一个原因。
【发明内容】
[0003]根据实施例，一种制备用于燃料电池组件的催化剂的方法，其包括在柠檬酸中浸泡催化剂颗粒。在被浸泡于所述柠檬酸中之后，所述催化剂颗粒然后被清洗。
[0004]根据实施例，催化剂颗粒被清洗之后被干燥。如果需要，预处理过的催化剂颗粒可被纳入用作制作燃料电池组件的催化剂墨中。
[0005]对于本领域技术人员，由以下的详细描述中，公开的示例实施例的各种特征和优点将变得显而易见。详细说明的附图简要描述如下。
【附图说明】
[0006]图1示意性地示出处理对于燃料电池组件有用的催化剂的一个实例过程。
[0007]图2示意性地示出包括有根据本发明实施例处理的催化剂的实例燃料电池组件的性能特性。
[0008]图3图示说明包括有根据本发明实施例处理的催化剂的实例燃料电池组件的另一个性能特性。
[0009]图4说明包括有根据本发明实施例处理的催化剂的实例燃料电池组件的另一个性能特性。
【具体实施方式】
[0010]图1示意性地示出用于预处理对于制作燃料电池组件(如包括于膜电极组件内的催化剂层)有用的催化剂的过程20。催化剂颗粒22与水24在容器26中结合。在一个实例中，催化剂颗粒22为市场上可买到的铂基催化剂颗粒。例如，在一个示例性实施例中包括有Pt/C催化剂颗粒。
[0011]于另一个容器34内，柠檬酸30被溶解于水32中。附加的水36随来自容器34的柠檬酸一起被添加至容器26。在一个实例中，约Ig的20% Pt/C催化剂与400ml水结合在容器26中，于容器34中，约7.5g柠檬酸被溶解在200ml水中，且如38所示另一份10ml的水36被添加以在容器26中产出混合物。
[0012]在容器26内的包括催化剂颗粒22、柠檬酸30和水36的混合物被使用搅拌装置40搅拌。一个实例包括搅拌混合物大约两个小时的时间。
[0013]期望的量的搅拌之后，混合物在42被过滤且催化剂颗粒被清洗。一个实例包括重复过滤和清洗催化剂颗粒。例如，来自容器26的初始混合物被过滤以将催化剂颗粒分离出来。然后那些颗粒被放置于水槽中并搅拌大约30分钟的时间。然后那些混合物在另一个水槽中被过滤和清洗，其被搅拌另一个30分钟。那个过滤和清洗程序可被重复数次以及，在一个实例中，被连续进行了四次。
[0014]完成清洗之后，于44催化剂被干燥。一个实例包括于真空中在烘箱内使用大约50°C的温度来干燥催化剂颗粒。在一个实例中，催化剂颗粒干燥发生大约三天的时间。
[0015]一旦以柠檬酸处理过的催化剂颗粒干燥后，它们被筛成催化剂粉且被制定成催化剂墨。催化剂墨然后以已知的方式被用作构造燃料电池组件。一个采用包括有根据图1所示出的实例过程以柠檬酸预处理过的催化剂颗粒的催化剂墨制作的实例燃料电池组件为电极的催化剂层。
[0016]使用公开的过程预处理催化剂改善燃料电池的性能。图2包括燃料电池的性能特性的图示说明50，该燃料电池在至少一个燃料电池组件中(例如催化剂层中)包括有预处理过的催化剂。图2包括第一绘图52，其表示包括未使用图1中示意示出的过程被预处理过的催化剂(例如20% Pt/C催化剂)的燃料电池的性能。另一绘图54示出使用以柠檬酸预处理过的催化剂的燃料电池在电流密度方面的性能。如同由图2可领会出的，与未使用柠檬酸预处理过的催化剂相比，当使用预处理过的催化剂时对于给定的电池电压获得较高的电流密度。
[0017]图3包括另一个性能特性的图示说明60。第一绘图62为对于各种冷却剂出口温度的电池电压，示出对于选定的电流水平使用标准催化剂的性能。第二绘图64示出对于相同的电流水平，使用预处理过的催化剂的电池性能。随着温度提高，燃料电池倾向于变干。通过将曲线64与曲线62比较看出性能上的改善，表明使用柠檬酸预处理过的催化剂倾向于减少了温度较高时燃料电池内部变干量。这引起电池电压的升高，其为性能上的改善。
[0018]图3包括在各种冷却剂出口温度的电池电压的另一绘图66，其针对与用于建立绘图62的相比而相对高的电流水平。绘图66相应于具有标准催化剂的燃料电池。比较性绘图68示出在相同的电流水平，使用以柠檬酸已预处理过的催化剂的性能。再一次，与绘图66相比，绘图68示出性能的改善，其表明在较高的温度，预处理过的催化剂具有关联的减低电池变干量。另一绘图70示出在第三个、更高的电流水平的标准催化剂的性能。绘图72示出在相同的、第三电流水平，使用预处理过的催化剂的性能。在图3中示出的每个实例中，与标准催化剂相比，预处理过的催化剂都示出了改善的性能。
[0019]图4包括比较电池电压和电流密度(即另一个性能特性)的图示说明80。三个绘图82、84和86全都示出包括预处理过的催化剂的燃料电池的性能水平。每个绘图对应于不同的工作温度。如同由说明中可领会到的，在绘图82、84和86之中只有有限的差别。图4说明了使用以柠檬酸预处理过的催化剂减低了燃料电池性能对工作温度的敏感性。这提供相关联的燃料电池性能于潮湿条件下的改善。
[0020]使用正如在图1中示意性示出的及以上描述的程序，用柠檬酸预处理过的催化剂有各个方面。一个方面为性能上的改善是一个 未想到的结果。一种理论为柠檬酸会引起性能的降低。如以上所表明的，用柠檬酸预处理过的催化剂出人意外地提供了在多种工作条件下改善的性能，包括很冷、饱和条件。
[0021]使用预处理过的催化剂另一个方面为，在潮湿和干燥条件之间的改善没有折衷(tradeoff) ο如图4所示，性能对温度相对不敏感。这允许于潮湿条件下的改善。如3所示，于干燥条件下有改善。现有的试图改善催化剂性能的方法通常包含在潮湿和干燥条件之间的折衷。一些方法已经可于潮湿条件下提供一些改善，而其他一些方法已经可于干燥条件下提供一些改善，但是还未能相信获得在两种条件下均改善是可能的。根据本发明的一个实施例，使用柠檬酸预处理提供在两种条件下的改善而没有任何折衷。
[0022]在图2-4示出的性能改善归因于柠檬酸充当表面活性剂，其促进催化剂粉在用于制作燃料电池电极的催化剂墨中更好的分散。在催化剂墨内催化剂粉的更好的分散倾向于减低催化剂的团聚体，并允许获得较薄的离聚物膜。此特征可增强燃料电池性能。
[0023]以柠檬酸预处理可改变碳载体(用作制作催化剂层)的表面功能。改变碳载体的表面功能可帮助其在催化剂墨中更好地分配(disburse)。碳载体表面功能的改变还可协助局部水分管理改善。
[0024]以柠檬酸预处理过的催化剂的另一个方面为柠檬酸可除去可能倾向于抑制性能的其他污染物。柠檬酸还除去自由亚铂(即Pt2+)离子，否则其会增加在催化剂层内的离聚物的电阻。
[0025]另一个与以柠檬酸预处理过的催化剂相关的可能的方面，包括铂颗粒的溶解与再分配以除去颗粒缺陷，这留下有更多活性位的更加均化的颗粒形状。此外，有可能获得更加均化的颗粒尺寸分布，引起较小的团聚体及较好的催化剂墨混合。
[0026]与使用柠檬酸预处理过的催化剂相关的改善的电池性能解决了诸如在特定温度条件下性能损失及期望的水分管理等性能问题。
[0027]前述描述为示例性的而不是实际的限制。对本领域的技术人员对公开的实例的变化及修改将变得显而易见，并不一定背离本发明的本质。对本发明给定的法律保护的范围只可以通过研宄以下权利要求而确定。
【主权项】
1.一种制备用于燃料电池组件的催化剂的方法，包括以下步骤:将催化剂颗粒浸泡在柠檬酸中；及在所述浸泡后清洗所述催化剂颗粒。2.根据权利要求1的所述方法，其中所述浸泡包括将所述催化剂颗粒混合在液体中；及将所述柠檬酸添加到所述液体。3.根据权利要求2的所述方法，其中所述液体包括水。4.根据权利要求3的所述方法，其中所述浸泡包括将所述催化剂颗粒混合在所述水的第一部分中；将柠檬酸溶解在所述水的第二部分的中；及将水的所述第一和第二部分混合。5.根据权利要求1的所述方法，包括:包含第一量的所述催化剂颗粒；及包含第二量的所述柠檬酸，其中所述第二量大于所述第一量。6.权利要求1的所述方法，其中所述清洗包括:过滤所述催化剂颗粒；用水清洗所述过滤的催化剂颗粒。7.根据权利要求6的所述方法，包括:将所述过滤和用水清洗重复多次。8.根据权利要求1的所述方法，包括:干燥所述清洗过的催化剂颗粒；及使用所述干燥的催化剂颗粒制备催化剂墨。9.根据权利要求8的所述方法，其中所述干燥包括:以大约50°C的温度将所述催化剂颗粒加热大约3天的时间。10.根据权利要求1的所述方法，包括:制备所述催化剂颗粒、所述柠檬酸和水的混合物；搅拌所述混合物；从所述混合物除去所述催化剂颗粒；清洗所述被除去的催化剂颗粒；及干燥所述清洗过的催化剂颗粒。11.通过所述方法制备的催化剂，包括以下步骤:将催化剂颗粒浸泡在柠檬酸中；及在所述浸泡之后清洗所述催化剂颗粒。12.根据权利要求11的所述催化剂，其中所述浸泡包括:将所述催化剂颗粒混合在液体中；及将所述柠檬酸添加到所述液体。13.根据权利要求12的所述催化剂，其中所述液体包括水。14.根据权利要求13的所述催化剂，其中所述浸泡包括将所述催化剂颗粒混合在所述水的第一部分中；将柠檬酸溶解在所述水的第二部分中；及将水的所述第一和第二部分混合。15.根据权利要求11的所述催化剂，其中所述方法包括:包含第一量的所述催化剂颗粒；及包含第二量的所述柠檬酸，其中所述第二量比所述第一量大大约5倍。16.根据权利要求11的所述催化剂，其中所述清洗包括过滤所述催化剂颗粒；用水清洗所述过滤过的催化剂颗粒。17.根据权利要求16的所述催化剂，其中所述方法包括:将所述过滤和用水清洗重复多次。18.权利要求11的所述催化剂，其中所述方法包括干燥所述清洗过的催化剂颗粒；及使用所述干燥的催化剂颗粒制备催化剂墨。19.根据权利要求18的所述催化剂，其中所述干燥包括以大约50°C的温度将所述催化剂颗粒加热大约3天的时间。20.根据权利要求11的所述催化剂，其中所述方法包括制备所述催化剂颗粒、所述柠檬酸和水的混合物；搅拌所述混合物；从所述混合物除去所述催化剂颗粒；清洗所述被除去的催化剂颗粒；及干燥所述清洗过的催化剂颗粒。
【专利摘要】根据实施例，一种制备用于燃料电池组件催化剂的方法，包括将催化剂颗粒浸泡于柠檬酸中。在被浸泡在所述柠檬酸中之后，所述催化剂颗粒然后被清洗。催化剂颗粒被清洗之后被干燥。如果需要,预处理的催化剂颗粒被纳入用于制作燃料电池组件的催化剂墨中。
【IPC分类】H01M4/90, H01M4/88, B01J37/02, B01J37/06
【公开号】CN104904051
【申请号】CN201380069711
【发明人】J·M·马祖罗, E·L·伊佐, R·M·达林
【申请人】奥迪股份公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年1月8日
【公告号】EP2954578A1, US20150318559, WO2014109729A1
【专利说明】
【背景技术】
[0001 ] 燃料电池促进用于发电的电化学反应。燃料电池一个重要方面是催化剂的效率。如果催化剂不能够以希望的或最佳的方式表现，诸如电流密度等燃料电池性能可受到负面影响。就改善燃料电池催化剂性能已经有多种提案。
[0002]其他与燃料电池性能相关的问题涉及水分管理。例如，过饱和条件，特别是在低工作温度下，倾向于减弱燃料电池性能。燃料电池膜变干是性能达不到最佳的另一个原因。
【发明内容】
[0003]根据实施例，一种制备用于燃料电池组件的催化剂的方法，其包括在柠檬酸中浸泡催化剂颗粒。在被浸泡于所述柠檬酸中之后，所述催化剂颗粒然后被清洗。
[0004]根据实施例，催化剂颗粒被清洗之后被干燥。如果需要，预处理过的催化剂颗粒可被纳入用作制作燃料电池组件的催化剂墨中。
[0005]对于本领域技术人员，由以下的详细描述中，公开的示例实施例的各种特征和优点将变得显而易见。详细说明的附图简要描述如下。
【附图说明】
[0006]图1示意性地示出处理对于燃料电池组件有用的催化剂的一个实例过程。
[0007]图2示意性地示出包括有根据本发明实施例处理的催化剂的实例燃料电池组件的性能特性。
[0008]图3图示说明包括有根据本发明实施例处理的催化剂的实例燃料电池组件的另一个性能特性。
[0009]图4说明包括有根据本发明实施例处理的催化剂的实例燃料电池组件的另一个性能特性。
【具体实施方式】
[0010]图1示意性地示出用于预处理对于制作燃料电池组件(如包括于膜电极组件内的催化剂层)有用的催化剂的过程20。催化剂颗粒22与水24在容器26中结合。在一个实例中，催化剂颗粒22为市场上可买到的铂基催化剂颗粒。例如，在一个示例性实施例中包括有Pt/C催化剂颗粒。
[0011]于另一个容器34内，柠檬酸30被溶解于水32中。附加的水36随来自容器34的柠檬酸一起被添加至容器26。在一个实例中，约Ig的20% Pt/C催化剂与400ml水结合在容器26中，于容器34中，约7.5g柠檬酸被溶解在200ml水中，且如38所示另一份10ml的水36被添加以在容器26中产出混合物。
[0012]在容器26内的包括催化剂颗粒22、柠檬酸30和水36的混合物被使用搅拌装置40搅拌。一个实例包括搅拌混合物大约两个小时的时间。
[0013]期望的量的搅拌之后，混合物在42被过滤且催化剂颗粒被清洗。一个实例包括重复过滤和清洗催化剂颗粒。例如，来自容器26的初始混合物被过滤以将催化剂颗粒分离出来。然后那些颗粒被放置于水槽中并搅拌大约30分钟的时间。然后那些混合物在另一个水槽中被过滤和清洗，其被搅拌另一个30分钟。那个过滤和清洗程序可被重复数次以及，在一个实例中，被连续进行了四次。
[0014]完成清洗之后，于44催化剂被干燥。一个实例包括于真空中在烘箱内使用大约50°C的温度来干燥催化剂颗粒。在一个实例中，催化剂颗粒干燥发生大约三天的时间。
[0015]一旦以柠檬酸处理过的催化剂颗粒干燥后，它们被筛成催化剂粉且被制定成催化剂墨。催化剂墨然后以已知的方式被用作构造燃料电池组件。一个采用包括有根据图1所示出的实例过程以柠檬酸预处理过的催化剂颗粒的催化剂墨制作的实例燃料电池组件为电极的催化剂层。
[0016]使用公开的过程预处理催化剂改善燃料电池的性能。图2包括燃料电池的性能特性的图示说明50，该燃料电池在至少一个燃料电池组件中(例如催化剂层中)包括有预处理过的催化剂。图2包括第一绘图52，其表示包括未使用图1中示意示出的过程被预处理过的催化剂(例如20% Pt/C催化剂)的燃料电池的性能。另一绘图54示出使用以柠檬酸预处理过的催化剂的燃料电池在电流密度方面的性能。如同由图2可领会出的，与未使用柠檬酸预处理过的催化剂相比，当使用预处理过的催化剂时对于给定的电池电压获得较高的电流密度。
[0017]图3包括另一个性能特性的图示说明60。第一绘图62为对于各种冷却剂出口温度的电池电压，示出对于选定的电流水平使用标准催化剂的性能。第二绘图64示出对于相同的电流水平，使用预处理过的催化剂的电池性能。随着温度提高，燃料电池倾向于变干。通过将曲线64与曲线62比较看出性能上的改善，表明使用柠檬酸预处理过的催化剂倾向于减少了温度较高时燃料电池内部变干量。这引起电池电压的升高，其为性能上的改善。
[0018]图3包括在各种冷却剂出口温度的电池电压的另一绘图66，其针对与用于建立绘图62的相比而相对高的电流水平。绘图66相应于具有标准催化剂的燃料电池。比较性绘图68示出在相同的电流水平，使用以柠檬酸已预处理过的催化剂的性能。再一次，与绘图66相比，绘图68示出性能的改善，其表明在较高的温度，预处理过的催化剂具有关联的减低电池变干量。另一绘图70示出在第三个、更高的电流水平的标准催化剂的性能。绘图72示出在相同的、第三电流水平，使用预处理过的催化剂的性能。在图3中示出的每个实例中，与标准催化剂相比，预处理过的催化剂都示出了改善的性能。
[0019]图4包括比较电池电压和电流密度(即另一个性能特性)的图示说明80。三个绘图82、84和86全都示出包括预处理过的催化剂的燃料电池的性能水平。每个绘图对应于不同的工作温度。如同由说明中可领会到的，在绘图82、84和86之中只有有限的差别。图4说明了使用以柠檬酸预处理过的催化剂减低了燃料电池性能对工作温度的敏感性。这提供相关联的燃料电池性能于潮湿条件下的改善。
[0020]使用正如在图1中示意性示出的及以上描述的程序，用柠檬酸预处理过的催化剂有各个方面。一个方面为性能上的改善是一个 未想到的结果。一种理论为柠檬酸会引起性能的降低。如以上所表明的，用柠檬酸预处理过的催化剂出人意外地提供了在多种工作条件下改善的性能，包括很冷、饱和条件。
[0021]使用预处理过的催化剂另一个方面为，在潮湿和干燥条件之间的改善没有折衷(tradeoff) ο如图4所示，性能对温度相对不敏感。这允许于潮湿条件下的改善。如3所示，于干燥条件下有改善。现有的试图改善催化剂性能的方法通常包含在潮湿和干燥条件之间的折衷。一些方法已经可于潮湿条件下提供一些改善，而其他一些方法已经可于干燥条件下提供一些改善，但是还未能相信获得在两种条件下均改善是可能的。根据本发明的一个实施例，使用柠檬酸预处理提供在两种条件下的改善而没有任何折衷。
[0022]在图2-4示出的性能改善归因于柠檬酸充当表面活性剂，其促进催化剂粉在用于制作燃料电池电极的催化剂墨中更好的分散。在催化剂墨内催化剂粉的更好的分散倾向于减低催化剂的团聚体，并允许获得较薄的离聚物膜。此特征可增强燃料电池性能。
[0023]以柠檬酸预处理可改变碳载体(用作制作催化剂层)的表面功能。改变碳载体的表面功能可帮助其在催化剂墨中更好地分配(disburse)。碳载体表面功能的改变还可协助局部水分管理改善。
[0024]以柠檬酸预处理过的催化剂的另一个方面为柠檬酸可除去可能倾向于抑制性能的其他污染物。柠檬酸还除去自由亚铂(即Pt2+)离子，否则其会增加在催化剂层内的离聚物的电阻。
[0025]另一个与以柠檬酸预处理过的催化剂相关的可能的方面，包括铂颗粒的溶解与再分配以除去颗粒缺陷，这留下有更多活性位的更加均化的颗粒形状。此外，有可能获得更加均化的颗粒尺寸分布，引起较小的团聚体及较好的催化剂墨混合。
[0026]与使用柠檬酸预处理过的催化剂相关的改善的电池性能解决了诸如在特定温度条件下性能损失及期望的水分管理等性能问题。
[0027]前述描述为示例性的而不是实际的限制。对本领域的技术人员对公开的实例的变化及修改将变得显而易见，并不一定背离本发明的本质。对本发明给定的法律保护的范围只可以通过研宄以下权利要求而确定。
【主权项】
1.一种制备用于燃料电池组件的催化剂的方法，包括以下步骤:将催化剂颗粒浸泡在柠檬酸中；及在所述浸泡后清洗所述催化剂颗粒。2.根据权利要求1的所述方法，其中所述浸泡包括将所述催化剂颗粒混合在液体中；及将所述柠檬酸添加到所述液体。3.根据权利要求2的所述方法，其中所述液体包括水。4.根据权利要求3的所述方法，其中所述浸泡包括将所述催化剂颗粒混合在所述水的第一部分中；将柠檬酸溶解在所述水的第二部分的中；及将水的所述第一和第二部分混合。5.根据权利要求1的所述方法，包括:包含第一量的所述催化剂颗粒；及包含第二量的所述柠檬酸，其中所述第二量大于所述第一量。6.权利要求1的所述方法，其中所述清洗包括:过滤所述催化剂颗粒；用水清洗所述过滤的催化剂颗粒。7.根据权利要求6的所述方法，包括:将所述过滤和用水清洗重复多次。8.根据权利要求1的所述方法，包括:干燥所述清洗过的催化剂颗粒；及使用所述干燥的催化剂颗粒制备催化剂墨。9.根据权利要求8的所述方法，其中所述干燥包括:以大约50°C的温度将所述催化剂颗粒加热大约3天的时间。10.根据权利要求1的所述方法，包括:制备所述催化剂颗粒、所述柠檬酸和水的混合物；搅拌所述混合物；从所述混合物除去所述催化剂颗粒；清洗所述被除去的催化剂颗粒；及干燥所述清洗过的催化剂颗粒。11.通过所述方法制备的催化剂，包括以下步骤:将催化剂颗粒浸泡在柠檬酸中；及在所述浸泡之后清洗所述催化剂颗粒。12.根据权利要求11的所述催化剂，其中所述浸泡包括:将所述催化剂颗粒混合在液体中；及将所述柠檬酸添加到所述液体。13.根据权利要求12的所述催化剂，其中所述液体包括水。14.根据权利要求13的所述催化剂，其中所述浸泡包括将所述催化剂颗粒混合在所述水的第一部分中；将柠檬酸溶解在所述水的第二部分中；及将水的所述第一和第二部分混合。15.根据权利要求11的所述催化剂，其中所述方法包括:包含第一量的所述催化剂颗粒；及包含第二量的所述柠檬酸，其中所述第二量比所述第一量大大约5倍。16.根据权利要求11的所述催化剂，其中所述清洗包括过滤所述催化剂颗粒；用水清洗所述过滤过的催化剂颗粒。17.根据权利要求16的所述催化剂，其中所述方法包括:将所述过滤和用水清洗重复多次。18.权利要求11的所述催化剂，其中所述方法包括干燥所述清洗过的催化剂颗粒；及使用所述干燥的催化剂颗粒制备催化剂墨。19.根据权利要求18的所述催化剂，其中所述干燥包括以大约50°C的温度将所述催化剂颗粒加热大约3天的时间。20.根据权利要求11的所述催化剂，其中所述方法包括制备所述催化剂颗粒、所述柠檬酸和水的混合物；搅拌所述混合物；从所述混合物除去所述催化剂颗粒；清洗所述被除去的催化剂颗粒；及干燥所述清洗过的催化剂颗粒。
【专利摘要】根据实施例，一种制备用于燃料电池组件催化剂的方法，包括将催化剂颗粒浸泡于柠檬酸中。在被浸泡在所述柠檬酸中之后，所述催化剂颗粒然后被清洗。催化剂颗粒被清洗之后被干燥。如果需要,预处理的催化剂颗粒被纳入用于制作燃料电池组件的催化剂墨中。
【IPC分类】H01M4/90, H01M4/88, B01J37/02, B01J37/06
【公开号】CN104904051
【申请号】CN201380069711
【发明人】J·M·马祖罗, E·L·伊佐, R·M·达林
【申请人】奥迪股份公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年1月8日
【公告号】EP2954578A1, US20150318559, WO2014109729A1
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