陰極電極材料的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了燃料電池的陰極電極，包括：多孔骨架介質(zhì)，該多孔骨架介質(zhì)的表面被改性成或以其他方式布置成或構(gòu)建成誘導(dǎo)增強(qiáng)活性行為，其中增強(qiáng)活性行為是通過(guò)增加電極的對(duì)于給定體積的表面積的手段，和/或通過(guò)增加電極上的反應(yīng)點(diǎn)的可用性和/或數(shù)量而誘導(dǎo)的。還提供了具有這種陰極電極的燃料電池，制造這種陰極電極的方法以及這種陰極電極在燃料電池中的使用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】陰極電極材料
[0001]本發(fā)明總體上涉及燃料電池的陰極電極，尤其是涉及陰極電極，該陰極電極的表面被改性成或以其他方式布置成或構(gòu)建成誘導(dǎo)增強(qiáng)活性行為。本發(fā)明還公開(kāi)了制造這種陰極電極的方法。此外，還描述了具有這種類(lèi)型的陰極電極的燃料電池。還提供了這種陰極電極在燃料電池中的使用。
[0002]例如，陰極電極已在如燃料電池的應(yīng)用中使用了多年，并且這些技術(shù)是公知的。在特定的應(yīng)用中，碳通流電極可用作陰極。這種電極的主要任務(wù)包括:提供其上可發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的表面積；通過(guò)雙極板或單極板將電子傳輸?shù)酵獠侩娐凡⑶覍㈦姌O/液界面形成到外部電路中；支承易碎的高分子電解質(zhì)膜；以及實(shí)現(xiàn)通過(guò)電極的反應(yīng)物的最佳流。
[0003]圖1中示出了這種類(lèi)型的電極的示例。通過(guò)圖1，可以觀察到電極(總體上被標(biāo)識(shí)為I)是由位于薄膜7與雙極板9之間的多孔電極材料3構(gòu)成的。陰極液流由箭頭5指示。
[0004]如果電極不執(zhí)行任何其(上述的)主要功能時(shí)，則導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)速率降低或者可能對(duì)電池部件造成損傷。
[0005]多種材料已被建議或適用于制造陰極電極，但是面臨著許多缺陷，包括較差的表面積可用性和較差的導(dǎo)電性。
[0006]例如當(dāng)與替代性電極材料相比時(shí)，剛性碳電極，如網(wǎng)狀玻璃碳(RVC)電極的用于反應(yīng)的表面積可用性相對(duì)較差。RVC電極的另一缺陷在于，電極的鏈端的尖點(diǎn)通過(guò)高分子電解質(zhì)膜可導(dǎo)致穿孔和短路。這還使得RVC電極難以被制成足夠纖細(xì)的配置。
[0007]較軟纖維類(lèi)電極(如碳?xì)?提供了比RVC更大的表面積，但是表現(xiàn)出低導(dǎo)電性。氈在電極腔內(nèi)增加的壓縮已知是有助于提升導(dǎo)電性的，但是這經(jīng)常還伴隨著增加對(duì)于流體流的電阻，增加將電解液泵浦穿過(guò)該材料所需的能量。此外，這種壓縮力可能因碳纖維的破損而對(duì)租材料造成損傷。
[0008]其他材料包括高表面積的活性炭，與用于印刷到燃料電池的陽(yáng)極上的催化劑油墨的材料相似，但是高表面積的活性炭對(duì)于允許足夠的液態(tài)電解液流過(guò)微米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)和納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是不利的，這是非常不符合要求的。
[0009]通過(guò)下面的描述，本發(fā)明是如何解決與已知的布置相關(guān)的上述缺陷并且提供迄今沒(méi)有考慮到或者可能無(wú)法通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的許多附加的優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見(jiàn)的。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種燃料電池的陰極電極，其包括:多孔骨架介質(zhì)，多孔骨架介質(zhì)的表面被改性成或以其他方式布置成或構(gòu)建成誘導(dǎo)增強(qiáng)活性行為，其中增強(qiáng)活性的行為是通過(guò)增加電極的對(duì)于給定體積的表面積的手段，和/或通過(guò)增加電極上的反應(yīng)點(diǎn)的可用性和/或數(shù)量而誘導(dǎo)的。
[0011]可取的電極材料可以是通過(guò)可用材料的改性而實(shí)現(xiàn)的，從而獲得滿足燃料電池的電極的需求(如上所述)的材料。電極結(jié)構(gòu)提供應(yīng)用所需的導(dǎo)電性、液態(tài)電解液流動(dòng)分布和薄膜支承，通過(guò)該電極結(jié)構(gòu)開(kāi)始可以是有利的，并且將該電機(jī)結(jié)構(gòu)的表面改性至足以獲得顯著的性能改善。
[0012]例如，“誘導(dǎo)增強(qiáng)活性行為”是指與在不存在所述改性、布置、或構(gòu)建的相同電極相t匕，陰極電極將以更高效率執(zhí)行，以便通過(guò)電極的相同容量可以產(chǎn)生更多的電力?？梢酝ㄟ^(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)表面的改性，例如，第一種技術(shù)可以是增加電極的有效表面積。另一種方式可以是改變電極的表面化學(xué)性以便出現(xiàn)在電極表面處的特定官能團(tuán)的似然性增加，從而增加可用于反應(yīng)的表面的比率。
[0013]“或者以其他方式布置或構(gòu)建”將被理解為，多孔電極材料包括如本文中所定義的必要屬性以誘導(dǎo)增強(qiáng)活性行為。這些必要屬性可以包括:例如，具有對(duì)與反應(yīng)物進(jìn)行反應(yīng)而言足夠高的表面積可用性和/或在表面上具有足夠大量的反應(yīng)點(diǎn)以促進(jìn)反應(yīng)行為，以及參照所附權(quán)利要求書(shū)中的其他相關(guān)或獨(dú)立的屬性等等。
[0014]將理解在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，多孔電極材料(骨架介質(zhì))可以包括:具有影響如本文所述的增強(qiáng)活性行為的必要屬性的現(xiàn)有材料。例如，這可以包括:未改性的基板或多孔電極介質(zhì)，未改性的基板或多孔電極介質(zhì)可以等同地用于燃料電池應(yīng)用中并且通過(guò)其固有的屬性優(yōu)勢(shì)誘導(dǎo)增強(qiáng)活性行為。也就是說(shuō)，在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明可以是在沒(méi)有多孔骨架介質(zhì)的改性的情況下實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)這種方法，多孔骨架介質(zhì)可以被“以其他方式布置或構(gòu)建”。
[0015]雖然燃料電池近幾年才成為了重要的實(shí)際考慮，但燃料電池已知為用于便攜式應(yīng)用中，如已在汽車(chē)和便攜式電子產(chǎn)品技術(shù)中使用多年。在其最簡(jiǎn)單的形式中，燃料電池是電化學(xué)能轉(zhuǎn)換裝置，用于將燃料和氧化劑轉(zhuǎn)換成反應(yīng)產(chǎn)物，以在工藝中產(chǎn)生電和熱。在這種電池的一種示例中，氫作為燃料，空氣或氧作為氧化劑，而反應(yīng)產(chǎn)物是水。氣體分別供給到通過(guò)固態(tài)或液態(tài)電解液分離的催化、擴(kuò)散型電極中，電解液在兩個(gè)電極之間攜帶充電的顆粒。在間接或氧化還原燃料電池中，氧化劑(和/或在一些情況下為燃料)不在電極處直接進(jìn)行反應(yīng)，而是通過(guò)氧化還原電對(duì)的還原形式(燃料的氧化形式)反應(yīng)以氧化電極，并且該氧化種類(lèi)被提供到陰極。
[0016]本發(fā)明特別感興趣之處在于，在電池的陰極區(qū)域(電極)處發(fā)生反應(yīng)。通過(guò)改變電極的表面化學(xué)性，可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的電化學(xué)反應(yīng)，從而增強(qiáng)電極的導(dǎo)電性和/或效率。
[0017]如定義在權(quán)利要求1中的陰極電極在燃料技術(shù)應(yīng)用中可以是非常有效的，燃料技術(shù)應(yīng)用例如為移動(dòng)電話天線桿的后備電源和需要大約2至IOkW功率的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如替代離網(wǎng)應(yīng)用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組的固定電源或者更大的后備電源，以及包括汽車(chē)的交通應(yīng)用。
[0018]增強(qiáng)活性行為是通過(guò)增加電極的對(duì)于給定體積的表面積的手段，和/或增加電極上的反應(yīng)點(diǎn)的可用性和/或數(shù)量而誘導(dǎo)的，后者增加對(duì)于用于電化學(xué)反應(yīng)的有效表面積。
[0019]多孔骨架介質(zhì)的表面改性可以包括至少一個(gè)加大的表面積區(qū)。也就是說(shuō)，改性是通過(guò)增加電極的表面積而進(jìn)行的。暴露于反應(yīng)物的電極材料的表面量的增加將使發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)會(huì)變多。
[0020]介質(zhì)的表面改性可以包括:提供碳的濺射涂覆。使用濺射技術(shù)，能夠?qū)⒒钚噪姌O材料(例如，碳)的小顆粒沉積到支承結(jié)構(gòu)(多孔骨架介質(zhì))上。有利的是，用于涂覆工藝的參數(shù)的控制可準(zhǔn)許經(jīng)沉積的顆粒的形態(tài)學(xué)控制。形態(tài)學(xué)控制能夠使暴露于反應(yīng)物的表面積量被優(yōu)化。
[0021]附加或替代性地，介質(zhì)的表面改性可以包括:物理吸附的碳。這種類(lèi)型的表面改性包括用于表面改性的高表面積或電化學(xué)性質(zhì)而選擇的碳顆粒的添加。對(duì)沉積的附加碳的類(lèi)型選擇能力給出了對(duì)表面活性處理的高度控制。特定的高表面積碳可被選擇以最大化特定的陰極電解液的反應(yīng)性。[0022]附加或替代性地，介質(zhì)的表面改性可以包括:提供模板碳的沉積物。該技術(shù)包括在添加碳之前使用模板前驅(qū)。除了增加電極的表面積以外，該技術(shù)還允許在電極表面形態(tài)學(xué)上(通過(guò)模板的選擇)和電極表面化學(xué)性上(通過(guò)碳前驅(qū)和處理?xiàng)l件的選擇)的大量控制。
[0023]附加或替代性地，介質(zhì)的表面改性可以包括:提供化學(xué)氣相沉積的碳?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)可被利用以使用多孔骨架介質(zhì)的表面作為支承骨架來(lái)“增長(zhǎng)”附加的碳結(jié)構(gòu)。條件(附加的碳類(lèi)是在該條件下形成在表面上)的改變和調(diào)節(jié)允許使電極的微結(jié)構(gòu)定制地產(chǎn)生。
[0024]附加或替代性地，介質(zhì)的表面改性可以包括:提供化學(xué)氣相滲透的碳?；瘜W(xué)氣相滲透(CVI)技術(shù)可以被利用以與(上述)CVD技術(shù)相似的方式使附加的碳“增長(zhǎng)”。
[0025]用于改善陰極電極的生產(chǎn)率和/或效率的有效技術(shù)是改變陰極電極表面化學(xué)性，以便電極變得更易于對(duì)反應(yīng)物進(jìn)行反應(yīng)。通過(guò)這種方法，介質(zhì)表面被改性以誘導(dǎo)增強(qiáng)活性行為。因此，介質(zhì)的表面改性可以包括:增加了每單位表面積的電化學(xué)反應(yīng)點(diǎn)的區(qū)域。通過(guò)增加每單位表面積的反應(yīng)點(diǎn)數(shù)量，也即是說(shuō)，通過(guò)增加反應(yīng)點(diǎn)密度，特定官能團(tuán)的似然性增力口，特定官能團(tuán)的似然性對(duì)于滿足液態(tài)反應(yīng)物進(jìn)行反應(yīng)而言是必要的。更高比率的反應(yīng)點(diǎn)增加燃料電池的電流和功率密度。
[0026]附加或替代性地，介質(zhì)的表面改性可以包括:液態(tài)化學(xué)改性。這種技術(shù)的至少一種優(yōu)點(diǎn)在于能夠利用市場(chǎng)上可買(mǎi)到的低價(jià)的處理劑，以保持執(zhí)行這種處理的額外花費(fèi)低廉。另一種優(yōu)點(diǎn)在于所用的具體處理劑可以被定制以產(chǎn)生具體陰極電解液所需的最佳表面改性。
[0027]根據(jù)所用的陰極電解液，介質(zhì)的表面改性可以包括:至少一個(gè)氧化區(qū)域。通過(guò)對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行氧化，改變介質(zhì)表面的表面化學(xué)性，由此增加用于反應(yīng)物之間進(jìn)行反應(yīng)的反應(yīng)點(diǎn)數(shù)量。當(dāng)然，將理解的是表面可以包括許多氧化區(qū)域。
[0028]在至少一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，至少一個(gè)氧化區(qū)域可以通過(guò)暴露于如硝酸或硫酸的強(qiáng)酸和/或如過(guò)硫酸銨的強(qiáng)氧化劑而實(shí)現(xiàn)的。
[0029]附加或替代性地，介質(zhì)的表面改性可以包括:氣相化學(xué)改性。氣相化學(xué)改性作用為生成用于發(fā)生反應(yīng)的更多的表面活性點(diǎn)。這種技術(shù)的特定優(yōu)點(diǎn)在于，氣體處理工藝無(wú)需電極的后處理凈化、可以獲得良好的空滲透并且可以定制選擇一種或多種處理氣體以使最終產(chǎn)物的表面化學(xué)性符合陰極溶液的特殊要求。
[0030]例如，氣相化學(xué)改性可以是通過(guò)氧等離子處理而實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)所使用的陰極電解液，這可能是非常有利的。
[0031]附加或替代性地，介質(zhì)的表面改性可以包括:等離子蝕刻。用于將微多孔蝕刻到多孔骨架介質(zhì)的表面中的等離子的控制使用可以增加表面積并且與材料的原始狀態(tài)相比，可以將材料的導(dǎo)電性、支承和流動(dòng)保持在令人滿意的水平。
[0032]附加或替代性地，介質(zhì)的表面改性可以包括:熱處理。電極的熱處理可以誘導(dǎo)微多孔以改變多孔骨架介質(zhì)的表面化學(xué)性，由此改善陰極電極的生產(chǎn)率。這種技術(shù)的特定優(yōu)點(diǎn)在于，不需要額外的試劑，從而減少了復(fù)雜的處理并且潛在地節(jié)約了陳本。
[0033]介質(zhì)的布置或構(gòu)建可以包括:壓縮電極。在以前就已經(jīng)認(rèn)為，液流電池中的碳電極和電化學(xué)反應(yīng)物應(yīng)該僅僅被壓縮至其原始厚度的80% (例如,參見(jiàn)Montiel et al.1nd.Eng.Chem.Res.1998，37，4501-4511)。然而，發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一些燃料電池應(yīng)用而言，當(dāng)被壓縮至遠(yuǎn)小于其原始厚度的80%時(shí)，一些陰極材料可以給出最適宜的性能。在一些情況下，在陰極材料被壓縮至小于其原始厚度的50%時(shí)獲得了最合適的性能。在不希望受到理論的約束的情況下，這種壓縮在靠近薄膜表面區(qū)域中增加了介質(zhì)的導(dǎo)電性和陰極的表面積。這些優(yōu)點(diǎn)比流量的減少還令人驚訝，流量的減少也是通過(guò)壓縮所得的結(jié)果。在壓縮前后，電極可以或可以不被進(jìn)一步改性。
[0034]由此，陰極電極的布置或配置可以包括:將多孔電極壓縮至小于其原始厚度的80%，優(yōu)選為小于70%，更優(yōu)選為小于60%，甚至更優(yōu)選為小于其原始厚度的50%。
[0035]本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，上文中提到的用于對(duì)多孔骨架介質(zhì)的表面化學(xué)性進(jìn)行改性的技術(shù)可以是單獨(dú)或以組合的方式使用的。上述技術(shù)的組合可能對(duì)誘導(dǎo)陰極電極的增強(qiáng)活性行為產(chǎn)生增強(qiáng)效果，誘導(dǎo)陰極電極的增強(qiáng)活性行為是相當(dāng)有必要的。
[0036]多孔骨架介質(zhì)可以包括剛性碳結(jié)構(gòu)。這可以改善電極的強(qiáng)度和耐用性并且在所有方向上表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性。
[0037]多孔骨架介質(zhì)可以包括網(wǎng)狀玻璃碳(RVC)。RVC是微多孔、玻璃狀碳電極材料。在寬范圍的工藝條件上RVC提供表面積對(duì)體積的高比率和最小反應(yīng)性，結(jié)合低成本和簡(jiǎn)單的操縱。具有RVC電極的電化學(xué)電池的設(shè)計(jì)允許均勻的電流和均勻的電位分布、低歐姆內(nèi)阻和電活性物質(zhì)對(duì)電極表面的高傳輸率。
[0038]多孔骨架介質(zhì)可以包括軟纖維類(lèi)結(jié)構(gòu)。軟纖維類(lèi)結(jié)構(gòu)可以提供暴露于反應(yīng)物的優(yōu)越的表面積。
[0039]多孔骨架介質(zhì)可以包括經(jīng)壓縮的碳?xì)?。氈在電極內(nèi)的壓縮可有助于增加導(dǎo)電性。
[0040]在一個(gè)實(shí)施方式中，多孔骨架介質(zhì)包括碳/PTFE復(fù)合介質(zhì)。在其他實(shí)施方式中，多孔骨架介質(zhì)包括碳?xì)饽z。在另外的實(shí)施方式中，多孔骨架介質(zhì)可以包括碳布。這種碳布可以包括Zorflex活性炭布。在另外的實(shí)施方式中，多孔骨架介質(zhì)可以包括碳紙或碳罩。
[0041]在另一實(shí)施方式中，多孔骨架介質(zhì)可以包括碳布。發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)了在一些情況下布材料的織法可以改變陰極的性能。織法的改變被認(rèn)為是改變了陰極電解液的流動(dòng)特性，由此允許對(duì)形成進(jìn)行調(diào)節(jié)。優(yōu)選地，布是梭織或針織的。
[0042]通過(guò)介質(zhì)表面被改性,多孔骨架介質(zhì)和/或材料可以具有不大于2mm的厚度；更具體地，小于Imm的厚度；更具體地，小于0.4mm的厚度；更具體地，小于0.25mm的厚度。通過(guò)這種方法，厚度可以在0.0lmm至2_的范圍內(nèi)。當(dāng)被納入到操作燃料電池系統(tǒng)中時(shí)，因?yàn)檎w更薄的電池將導(dǎo)致對(duì)于燃料電池的更高的容積和重量的功率密度，所以厚度的減小是可取的。對(duì)于燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這些參數(shù)可以被認(rèn)為是關(guān)鍵的。
[0043]多孔骨架介質(zhì)可以呈一個(gè)或多個(gè)面板的形式。更具體地，一個(gè)或多個(gè)面板可以具有250mm x250mm的尺寸。例如，這種尺寸可能特別適合于簡(jiǎn)化電極的制造并且便于運(yùn)輸。
[0044]多孔骨架介質(zhì)的表面可以是對(duì)陰極液反應(yīng)的。因?yàn)榧词故窃诮档土四芰Φ那闆r下如果支承材料區(qū)域在工藝期間得不到處理，則支承材料區(qū)域仍然能夠執(zhí)行電極反應(yīng)，這是有利的。
[0045]通過(guò)介質(zhì)表面被改性,多孔骨架介質(zhì)和/或材料可以具有600至30000cm2/cm3的比表面積。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，比表面積可以是3000cm2/cm3。指定的表面積顯著大于傳統(tǒng)電極，這使得根據(jù)本發(fā)明而形成的電極特別適合于在導(dǎo)電性和發(fā)電性方面增加燃料電池的生產(chǎn)率。[0046]通過(guò)介質(zhì)表面被改性,多孔骨架介質(zhì)和/或材料可以具有不大于17ηιΩ cm2的貫通面電阻。更具體地，貫通面電阻可以不大于5mQcm2。該值包括具有雙極板的接觸電阻。在燃料電池中通常需要低電阻以減少由通過(guò)燃料電池的相關(guān)部件的導(dǎo)電而產(chǎn)生的效率損失。
[0047]通過(guò)介質(zhì)表面被改性，多孔骨架介質(zhì)和/或材料可以在80°C中穩(wěn)定在pHO的氧化環(huán)境中；替代性或附加地，可以在95°C中穩(wěn)定在pHO的氧化環(huán)境中；替代性或附加地，可以在120°C中穩(wěn)定在pHO的氧化環(huán)境中。待被穩(wěn)定在這種環(huán)境中的電解結(jié)構(gòu)的故障可能導(dǎo)致電極的惡化，電化學(xué)性能的降低，并且可能影響機(jī)械穩(wěn)定性和/或通過(guò)腐蝕產(chǎn)物污染燃料電池系統(tǒng)。
[0048]燃料電池還可以在高壓下進(jìn)行操作，并因此，通過(guò)介質(zhì)表面被改性，多孔骨架介質(zhì)和/或材料可以穩(wěn)定在這種壓力下。優(yōu)選為，燃料電池在高于大氣(或周?chē)h(huán)境)壓力且低于5bar的絕對(duì)壓力的下進(jìn)行操作。
[0049]通過(guò)介質(zhì)表面被改性，多孔骨架介質(zhì)和/或材料可以具有至少5X10nm2的孔隙結(jié)構(gòu)滲透性。處于該水平的滲透性提供足夠易于流動(dòng)的液態(tài)陰極電解液反應(yīng)物。
[0050]多孔骨架介質(zhì)可以包括碳或金屬中的至少一種。有利的是，本發(fā)明提供對(duì)碳電極基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)改性的靈活性，例如，通過(guò)附加的碳對(duì)該碳電極基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行涂覆和/或通過(guò)對(duì)碳電極基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的表面化學(xué)性進(jìn)行改變以增加用于反應(yīng)性的有效表面積，而碳電極基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的表面化學(xué)性是通過(guò)在碳電極基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的表面上生成更加活性的點(diǎn)而改變的。此外，通過(guò)對(duì)電極涂覆如本文所述的活性碳表面，本發(fā)明還能夠利用其他電化學(xué)惰性的結(jié)構(gòu)(例如，多孔金屬)，其他電化學(xué)惰性的結(jié)構(gòu)提供電極的其他要求。例如，多孔骨架介質(zhì)可以包括鉬族金屬和較不活躍的金屬中的一種或多種，較不活躍的金屬包括不銹鋼、奧氏體鎳鉻基高溫合金和鈦。
[0051]多孔骨架介質(zhì)可以是自支承的。通過(guò)這種方法，多孔骨架介質(zhì)沒(méi)必要需求用于支承的任何其他裝置并且可以用作獨(dú)立式結(jié)構(gòu)。
[0052]在另一實(shí)施方式中，本發(fā)明的陰極電極的表面改性、布置、構(gòu)建使陰極電極的可濕性得到提升。這可以通過(guò)減小泵浦陰極電解液所需壓力并由此減小寄生損失而導(dǎo)致更有效的燃料電池。
[0053]另一方面，本發(fā)明設(shè)想一種制造燃料電池的陰極電極的方法，該方法包括以下步驟:提供多孔骨架介質(zhì)；以及對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行改性或以其他方式布置或構(gòu)建以誘導(dǎo)增強(qiáng)活性行為。
[0054]對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行改性的步驟可以包括:增加介質(zhì)的表面積。
[0055]介質(zhì)的表面積可以是通過(guò)提供至少一個(gè)加大的表面積區(qū)而增加的；也就是說(shuō)，例如在相同電極上具有比相鄰區(qū)域更大的比表面積的區(qū)。
[0056]對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行改性的步驟可以包括:通過(guò)碳顆粒對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行濺射涂覆。
[0057]在特定的實(shí)施方式中，濺射工藝可以包括:真空濺射。
[0058]對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行改性的步驟可以包括:將碳顆粒物理吸附到介質(zhì)上。物理吸附工藝可以包括以下步驟:在載體中提供碳顆粒的懸浮物；使介質(zhì)與碳顆粒的懸浮物接觸；以及蒸發(fā)載體以使碳顆粒通過(guò)物理吸附保持沉積在介質(zhì)上。有利的是，通過(guò)使用該技術(shù)被沉積的顆粒保持在適當(dāng)位置上，顆粒是通過(guò)物理吸附和/或可以進(jìn)一步包括對(duì)碳顆粒進(jìn)行熱處理以粘接到介質(zhì)的方法而沉積的。有利的是，如全氟磺酸(RTM)的質(zhì)子導(dǎo)電聚合物可以被用作附接碳顆粒的手段。通過(guò)這種方法，因?yàn)槎嗫坠羌芙橘|(zhì)的主骨架將傳送用于大部分傳導(dǎo)通路的電子，所以使得較差的導(dǎo)電性得到改善，較差的導(dǎo)電性可能是(通常使用的)高表面積碳的制約因素。
[0059]對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行改性的步驟可以包括:用于將碳應(yīng)用到介質(zhì)的模板法。
[0060]模板法可以包括以下步驟:將模板應(yīng)用到介質(zhì)；在模板上方沉積碳；以及去除模板以保留沉積在介質(zhì)表面上的碳?？梢赃x擇模板以在電極表面上賦予碳的期望配置。
[0061]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，模板可以是可溶的。這可以使得模板更加容易被去除。
[0062]可以以特定形式將模板布置在介質(zhì)上，該特定形式被選擇用于介質(zhì)的預(yù)定應(yīng)用。
[0063]對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行改性的步驟可以包括:將碳化學(xué)氣相沉積到介質(zhì)表面。
[0064]對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行改性的步驟可以包括:將碳化學(xué)氣相滲透到介質(zhì)表面。
[0065]對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行改性的步驟可以包括:增加每單位表面積的電化學(xué)反應(yīng)點(diǎn)的數(shù)量。當(dāng)與傳統(tǒng)的陰極電極燃料電池相比時(shí)，這可以通過(guò)卓越的發(fā)電量增加電極的生產(chǎn)率并因此增加燃料電池的生產(chǎn)率。
[0066]該方法可以包括:進(jìn)行液態(tài)化學(xué)改性以改變介質(zhì)的表面化學(xué)性的步驟。
[0067]該方法可以附加或替代性地包括:對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行氧化的步驟。
[0068]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，氧化步驟可以是通過(guò)使用如硝酸或硫酸的強(qiáng)酸和/或如過(guò)硫酸銨的強(qiáng)氧化劑而進(jìn)行的。
[0069]對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行改性的步驟可以包括:氣相化學(xué)改性。
[0070]氣相化學(xué)改性可以是通過(guò)氧等離子處理而造成的。
[0071]對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行改性的步驟可以包括:等離子蝕刻。
[0072]等離子蝕刻可以包括:將微多孔蝕刻到介質(zhì)表面中。
[0073]對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行改性的步驟可以包括:熱處理。
[0074]另一方面，本發(fā)明設(shè)想具有如本文所述的陰極電極的燃料電池。
[0075]燃料電池可以采用FlowCatii?的技術(shù)；即，氫被催化在陽(yáng)極上的燃料電池。電子和質(zhì)子被收集到含有氧化還原催化劑體系的溶劑中，該溶劑持續(xù)地從堆棧流動(dòng)到外部再生容器中。在再生容器中，陰極電解液與空氣接觸，電子、質(zhì)子和氧通過(guò)空氣反應(yīng)形成水，該形成的水以蒸汽方式離開(kāi)再生容器。然后，陰極電解液流回到電池。
[0076]在另一方面，本發(fā)明考慮如本文所描述的陰極電極在燃料電池中的使用。
[0077]現(xiàn)在將參照附圖僅僅以示例的方式更加具體地描述本發(fā)明，在附圖中:
[0078]圖1示出介入高分子電解質(zhì)膜與雙極板之間的多孔骨架介質(zhì)的側(cè)視圖；
[0079]圖2是根據(jù)具有改性成強(qiáng)化電化學(xué)反應(yīng)的表面的本發(fā)明而形成的多孔骨架介質(zhì)的局部側(cè)視圖；
[0080]圖3示出具有電極的燃料電池與控制電池的燃料電池性能進(jìn)行對(duì)比的圖表，其中電極經(jīng)歷了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的濺射涂覆處理；
[0081]圖4示出具有電極的燃料電池與控制電池的燃料電池性能進(jìn)行對(duì)比的圖表，其中根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式形成的電極經(jīng)歷了使用模板以將附加的高表面積碳添加到電極中的處理工藝；
[0082]圖5示出具有電極的燃料電池與控制電池的燃料電池性能進(jìn)行對(duì)比的圖表，其中根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式形成的電極經(jīng)歷了使用氧化劑以增加表面上的反應(yīng)點(diǎn)的前處理工藝；
[0083]圖6示出具有電極的燃料電池與控制電池的燃料電池性能進(jìn)行對(duì)比的圖表，其中根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式形成的電極經(jīng)歷了使用氣相化學(xué)改性以增加電極表面上的活性反應(yīng)點(diǎn)比率的前處理工藝；
[0084]圖7示出在0.80V的開(kāi)路電壓下(使用極化曲線和功率密度曲線)對(duì)燃料電池與控制電池的性能進(jìn)行對(duì)比的圖表，其中燃料電池具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式形成的電極，該電極經(jīng)歷了用于增加電極表面上的活性反應(yīng)點(diǎn)比率的前熱處理工藝；
[0085]圖8示出在0.80V的開(kāi)路電壓下(使用極化曲線和功率密度曲線)對(duì)燃料電池與控制電池的性能進(jìn)行對(duì)比的圖表，其中燃料電池具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式形成的電極，該電極經(jīng)歷了浸泡在硝酸或硫酸中而后進(jìn)行熱處理以增加電極表面上的活性反應(yīng)點(diǎn)比率的前處理工藝；
[0086]圖9示出在0.80V的開(kāi)路電壓下(使用極化曲線和功率密度曲線)對(duì)燃料電池與控制電池的性能進(jìn)行對(duì)比的圖表，其中一種燃料電池具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式形成的電極，該電極經(jīng)歷了浸泡在硝酸或硫酸中而后進(jìn)行熱處理，而另一種燃料電池具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式形成的電極，該電極單獨(dú)經(jīng)歷用于增加電極表面上的活性反應(yīng)點(diǎn)比率的前熱處理；
[0087]圖10示出經(jīng)歷了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的熱處理的石墨氈陰極電極與控制石墨氈陰極電極的不同的親水性；
[0088]圖11示出經(jīng)歷了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的酸處理和熱處理的石墨氈陰極電極與控制石墨氈陰極電極的不同的親水性；
[0089]圖12示出本發(fā)明的陰極的性能對(duì)于壓縮的變化；以及
[0090]圖13示出根據(jù)本發(fā)明的陰極的性能與現(xiàn)有技術(shù)的陰極的性能的對(duì)比，以及演示通過(guò)改變碳布電極的織法而改變的性能。
[0091]參照?qǐng)D2，圖2示出了總體上標(biāo)識(shí)為11的多孔骨架介質(zhì)的側(cè)視圖。多孔骨架介質(zhì)11的表面13被配置成沿著表面13呈現(xiàn)半球形凹陷的形式。例如，各個(gè)半球形凹陷由15表示。在本實(shí)施方式中，半球形凹陷15彼此毗連。半球形凹陷15構(gòu)成多孔骨架介質(zhì)11的表面13的改性。由此，表面13已改性成誘導(dǎo)增強(qiáng)活性行為。通過(guò)這種方法，以這種方式形成的電極將在如質(zhì)子的反應(yīng)物與氧的表面積增加方面具有優(yōu)異的電化學(xué)性能以產(chǎn)生更多的每單位體積的電流量。
[0092]現(xiàn)在參照?qǐng)D3，圖3示出了對(duì)具有未改性的RVC陰極電極的燃料電池與具有經(jīng)歷了濺射涂覆處理的較小RVC電極的燃料電池進(jìn)行直接對(duì)比的圖表。在兩種情況下，陰極是每英寸具有5倍壓縮的100個(gè)孔的RVC，該RVC的尺寸為50x63x2mm(如討論的那樣，RVC電極被進(jìn)一步修飾成圖3中的虛線)。標(biāo)準(zhǔn)化氣體擴(kuò)散層(碳紙，厚度約為0.3_)被設(shè)置在雙極板與RVC電極之間以增加連接的導(dǎo)電性。碳罩(10g/m2)被設(shè)置在RVC電極與薄膜之間。薄膜是市場(chǎng)上可買(mǎi)到的薄膜電極組件，該薄膜電極組件具有50微米的薄膜厚度和50x50mm的活性區(qū)域以及0.3mg PtcnT2的陽(yáng)極催化劑負(fù)載。使用了多金屬氧酸鹽陰極(水中0.3摩爾的Na4H3 [PMo8V4040].(H20) x溶液)，具有240ml/min的陰極流和79-86°C的電池溫度。厚度約為0.3mm的標(biāo)準(zhǔn)化氣體擴(kuò)散層被用于陽(yáng)極室中。陽(yáng)極室中的氫氣壓力是1.5-2bar的絕對(duì)壓力。通過(guò)實(shí)線示出了控制燃料電池的結(jié)果，而通過(guò)虛線示出了具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式形成的陰極電極的燃料電池的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)性陰極電極是在OV加速的情況下沉積51 μ g/cm2的碳材料而形成的。除非另有提及，則所使用的操作條件、其他燃料電池部件和陰極溶液是相同的。在虛線的極化曲線中可以觀察到，濺射涂覆樣本的性能顯著優(yōu)于(對(duì)于給定電流的較高的電池電壓)由實(shí)線的極化曲線表示的控制樣本。
[0093]現(xiàn)在參照?qǐng)D4，示出了與圖3所示的圖表相似的圖表。然而，在本附圖中，圖4示出了燃料電池與控制電池的燃料電池性能的直接對(duì)比，其中控制電池具有未改性的RVC陰極電極，而燃料電池具有相似的RVC電極但該RVC電極經(jīng)歷了使用模板以將附加的高表面積碳添加到現(xiàn)有的RVC支承結(jié)構(gòu)(多孔骨架介質(zhì))的處理工藝。除非另有提及，則所使用的操作條件、其他電池部件和陰極溶液與圖3中的操作條件、其他電池部件和陰極溶液是相同的。在虛線的極化曲線中可以觀察到，具有附加的模板化碳的實(shí)驗(yàn)性樣本的性能顯著優(yōu)于(對(duì)于給定電流的較高的電池電壓)由實(shí)線的極化曲線表示的控制樣本。
[0094]圖5示出對(duì)燃料電池與控制電池的燃料電池性能進(jìn)行對(duì)比的進(jìn)一步測(cè)試的結(jié)果，其中控制電池具有未改性的RVC陰極電極，而燃料電池具有相似的RVC電極但該RVC電極經(jīng)歷了使用氧化劑的前處理工藝。在本實(shí)施方式中，氧化劑是以增加電化學(xué)表面上的活性反應(yīng)點(diǎn)比率的目的而使用的過(guò)硫酸銨((NH4)2S2O8)處理液。薄膜是市場(chǎng)上可買(mǎi)到的薄膜電極組件，該薄膜電極組件具有25微米的薄膜厚度且具有0.4mg Pt cm_2的陽(yáng)極催化劑負(fù)載，除了這點(diǎn)與圖3中不同以外，除非另有提及，則所使用的操作條件、其他燃料電池部件和陰極溶液與圖3中的操作條件、其他燃料電池部件和陰極溶液是相同的。在虛線的極化曲線中可以觀察到，經(jīng)歷了前電極處理的實(shí)驗(yàn)性樣本的性能顯著優(yōu)于(對(duì)于給定電流的較高的電池電壓)由實(shí)線的極化曲線表示的控制樣本。
[0095]圖6還示出實(shí)驗(yàn)的另一示例，該示例中對(duì)燃料電池的性能與控制電池的燃料電池性能進(jìn)行了對(duì)比，其中控制電池具有未改性的RVC陰極電極，而燃料電池具有相似的RVC電極但該RVC電極經(jīng)歷了使用氧等離子處理以增加電極表面的活性點(diǎn)比率的前處理工藝。除非另有提及，則所使用的操作條件、其他燃料電池部件和陰極溶液與圖5中的操作條件、其他電池部件和陰極溶液是相同的。在虛線的極化曲線中可以觀察到，經(jīng)歷了前電極處理的實(shí)驗(yàn)性樣本的性能顯著優(yōu)于(對(duì)于給定電流的較高的電池電壓)由實(shí)線的極化曲線表示的控制樣本。
[0096]圖7示出在0.80V的開(kāi)路電壓下對(duì)控制電池的性能與燃料電池的性能進(jìn)行對(duì)比的測(cè)試結(jié)果，其中控制電池具有未改性的石墨氈陰極電極，而燃料電池具有相似的石墨氈電極但該石墨氈電極經(jīng)歷了(在空氣中)在400°C、450°C或500°C中進(jìn)行2個(gè)小時(shí)的前熱處理。在所有情況下，石墨租電極都是50x63mm的聚丙稀臆石墨租并具有2.5mm的厚度,該厚度在電池構(gòu)建期間被壓縮成1.1_。陰極電極與市場(chǎng)上可買(mǎi)到的薄膜電極組件相鄰地進(jìn)行固定，該薄膜電極組件具有50x50mm的活性區(qū)域和15微米的薄膜厚度以及0.3mg Pt cm_2的陽(yáng)極催化劑負(fù)載。使用了多金屬氧酸鹽陰極(水中0.3摩爾的Na4H3[PMo8V4O4J.(H2O)x溶液)，具有160ml/min的陰極流和75_80°C的電池溫度。厚度約為0.3mm的標(biāo)準(zhǔn)化氣體擴(kuò)散層(碳紙)被用于陽(yáng)極室中。陽(yáng)極室中的氫氣壓力是1.5-2bar的絕對(duì)壓力。在本實(shí)施方式中，處理是以增加電化學(xué)表面上的活性反應(yīng)點(diǎn)比率的目的而進(jìn)行的。除非另有提及，則所使用的操作條件、燃料部件和陰極溶液是相同的。圖7a示出通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的極化曲線，而圖7b示出功率密度曲線。從圖中可以觀察到，在0.80V下經(jīng)歷了 450°C或500°C的前電極處理的實(shí)驗(yàn)性樣本的性能優(yōu)于(對(duì)于給定電流的較高的電池電壓/功率密度)控制樣本。在500°C中進(jìn)行處理后的性能是顯著優(yōu)秀的。然而，在400°C中的樣本卻未表現(xiàn)出改善。這表明熱處理必需針對(duì)具體材料。在不希望受到理論的約束的情況下，可以認(rèn)為，對(duì)于活性化石墨氈的表面，400°C是過(guò)低的溫度，因此需要慎重地選擇溫度(在該溫度中對(duì)材料進(jìn)行處理)以取得改善的性能。
[0097]圖8示出在0.80V的開(kāi)路電壓下對(duì)控制電池的性能與燃料電池的性能進(jìn)行對(duì)比的另一測(cè)試結(jié)果，其中控制電池具有未改性的石墨氈陰極電極，而燃料電池具有相似的石墨氈電極但該石墨氈電極經(jīng)歷了多重前熱處理工藝。在所有情況下，石墨氈電極都是50x63mm的聚丙烯腈石墨氈并具有2.5mm的厚度，該厚度在電池構(gòu)建期間被壓縮成1.1mm。陰極電極與市場(chǎng)上可買(mǎi)到的薄膜電極組件相鄰地進(jìn)行固定，該薄膜電極組件具有50x50mm的活性區(qū)域和15微米的薄膜厚度以及0.3mg Pt cm_2的陽(yáng)極催化劑負(fù)載。首選，在室溫中將經(jīng)處理的電極被留下以在濃硝酸或濃硫酸中浸泡5個(gè)小時(shí)，而后徹底沖洗。然后，改性后的氈在450°C或500°C下(在空氣中)加熱2個(gè)小時(shí)。使用了多金屬氧酸鹽陰極(水中0.3摩爾的Na4H3 [PMo8V4O40].(H2O)x溶液)，具有160ml/min的陰極流和75_80°C的電池溫度。厚度約為0.3mm的標(biāo)準(zhǔn)化氣體擴(kuò)散層(碳紙)被用于陽(yáng)極室中。陽(yáng)極室中的氫氣壓力是1.5-2bar的絕對(duì)壓力。在本實(shí)施方式中，處理是以增加電化學(xué)表面上的活性反應(yīng)點(diǎn)比率的目的而進(jìn)行的。除非另有提及，則所使用的操作條件、燃料部件和陰極溶液是相同的。圖8a示出通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的極化曲線，而圖8b示出功率密度曲線。從圖中可以觀察到，經(jīng)歷了 450°C的前電極處理的實(shí)驗(yàn)性樣本的性能顯著優(yōu)于(對(duì)于給定電流的較高的電池電壓/功率密度)控制樣本。然而，500°C的處理卻得到了更低的性能。這再一次表明根據(jù)所使用材料選擇條件的重要性。
[0098]圖9是圖7和圖8所示圖表的組合，對(duì)單獨(dú)進(jìn)行熱處理的性能與熱處理和酸處理結(jié)合的性能進(jìn)行了對(duì)比。從圖表中可以觀察到，相比于單獨(dú)進(jìn)行熱處理，450°C的熱處理與酸處理的結(jié)合更多的改善了燃料電池的性能。
[0099]圖10和圖11示出進(jìn)行了上述處理的石墨氈陰極電極的不同的親水性。圖1Oa表示控制樣本，圖1Ob是經(jīng)過(guò)400°C處理后的樣本，圖1Oc是經(jīng)過(guò)450°C處理后的樣本，圖1Od是經(jīng)過(guò)500°C處理后的樣本。圖1la表示控制樣本，圖1lb是經(jīng)過(guò)硫酸處理和450°C熱處理后的樣本，圖1lc是經(jīng)過(guò)硝酸處理和450°C熱處理后的樣本，圖1ld是經(jīng)過(guò)硫酸處理和500°C熱處理后的樣本，圖1le是經(jīng)過(guò)硝酸處理和500°C熱處理后的樣本。圖10和圖1la是從吸液管滴下一滴水并且在60秒后拍攝的照片。圖lib、圖11c、圖1ld和圖1le是從吸液管滴下一滴水并且在I秒后拍攝的照片。似乎看來(lái)，經(jīng)處理的陰極表面的可濕性(親水性)被發(fā)現(xiàn)是高于未經(jīng)處理的陰極表面。這提供了優(yōu)點(diǎn)，如可濕性加大的氈將更加易于使陰極溶液泵浦穿過(guò)，這將通過(guò)減少泵浦陰極所需的壓力構(gòu)成更加有效的燃料電池，由此減少寄生損失。此外，這些附圖表明，通過(guò)對(duì)石墨氈的處理將可以獲得最適宜的可濕性。圖1Od的氈表現(xiàn)出了最佳性能(參見(jiàn)圖7)，圖1lb的氈亦是如此(參見(jiàn)圖8)。由此，這兩個(gè)氈之間的可濕性可以提現(xiàn)最適宜的效果，并且相對(duì)于該水平的增加或減小都會(huì)不利于氈的性能。
[0100]圖12示出使用石墨氈電極操作的本發(fā)明的燃料電池在不同壓縮比下的性能數(shù)據(jù)(極化曲線)。在所有情況下，石墨租電極都是50x63mm的聚丙烯腈石墨租并具有2.5mm的厚度，該厚度在實(shí)驗(yàn)(在附圖圖例中給出了百分比壓縮)期間被壓縮成更小的厚度。陰極電極與市場(chǎng)上可買(mǎi)到的薄膜電極組件相鄰地進(jìn)行固定，該薄膜電極組件具有50x50mm的活性區(qū)域和25微米的薄膜厚度以及0.4mg Pt cm_2的陽(yáng)極催化劑負(fù)載。使用了多金屬氧酸鹽陰極(水中0.3摩爾的Na4H3 [PMo8V4O4J.(H2O)x溶液)，具有240ml/min的陰極流和79-82 °C的電池溫度。厚度約為0.3_的標(biāo)準(zhǔn)化氣體擴(kuò)散層(碳紙)被用于陽(yáng)極室中。陽(yáng)極室中的氫氣壓力大約是2bar的絕對(duì)壓力。燃料電池在不同的陰極壓縮率下運(yùn)行并對(duì)性能進(jìn)行監(jiān)控。如圖12所示，性能隨著壓縮率增加而改善，并且壓縮至原始厚度46%的氈表現(xiàn)出最佳性能。
[0101]圖13示出使用具有約0.5_厚度的碳布電極操作的本發(fā)明的燃料電池與使用2mm厚度的網(wǎng)狀玻璃碳電極的燃料電池進(jìn)行對(duì)比的性能數(shù)據(jù)(極化曲線)。RVC電極的陰極室與圖3中所描述的陰極室相似。針織碳布(knitted碳布)原始厚度為0.47mm。在構(gòu)建燃料電池時(shí)，該電極與薄膜相鄰地進(jìn)行設(shè)置并且壓縮至0.35mm。梭織碳布(woven碳布)原始厚度為0.528mm。在構(gòu)建燃料電池時(shí)，該電極與薄膜相鄰地進(jìn)行設(shè)置并且壓縮至0.35mm。對(duì)于圖13中的所有燃料電池而言，薄膜是市場(chǎng)上可買(mǎi)到的電極薄膜組件，該電極薄膜組件具有50x50的活性區(qū)域和25微米的厚度以及0.4mg Pt cm—2的陽(yáng)極催化劑負(fù)載。厚度約為0.3mm的標(biāo)準(zhǔn)化氣體擴(kuò)散層(碳紙)被用于陽(yáng)極室中。陽(yáng)極室中的氫氣壓力大約是2bar的絕對(duì)壓力。使用了多金屬氧酸鹽陰極(水中0.3摩爾的Na4H3[PMo8V4O4J.(H2O)x溶液)，并且RVC電極、梭織碳布電極和針織碳布電極分別具有240ml/min的陰極流。電池溫度為79_82°C。圖13表現(xiàn)出相比于現(xiàn)有技術(shù)的陰極性能，本發(fā)明的陰極性能得到了提高。此外，圖13還表現(xiàn)出相比于針織布電極的性能，梭織布電極的性能得到了提高。因此，這表明布材料的梭織可以針對(duì)燃料電池的需求。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池的陰極電極，包括: 多孔骨架介質(zhì)，所述多孔骨架介質(zhì)的表面被改性成或以其他方式布置成或構(gòu)建成誘導(dǎo)增強(qiáng)活性行為，其中所述增強(qiáng)活性行為是通過(guò)增加所述電極的對(duì)于給定體積的表面積的手段，和/或通過(guò)增加電極上的反應(yīng)點(diǎn)的可用性和/或數(shù)量而誘導(dǎo)的。
2.如權(quán)利要求1所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面改性包括至少一個(gè)加大的表面積區(qū)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面改性包括碳的濺射涂覆。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面改性包括物理吸附的碳。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面改性包括模板碳的沉積。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面改性包括化學(xué)氣相沉積的碳。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面改性包括化學(xué)氣相滲透的碳。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面改性包括增加了每 單位表面積的電化學(xué)反應(yīng)點(diǎn)的區(qū)域。
9.如權(quán)利要求8所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面改性包括液態(tài)化學(xué)改性。
10.如權(quán)利要求8或9所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面改性包括至少一個(gè)氧化區(qū)域。
11.如權(quán)利要求10所述的陰極電極，其中所述至少一個(gè)氧化區(qū)域是通過(guò)暴露于如硝酸或硫酸的強(qiáng)酸和/或如過(guò)硫酸銨的強(qiáng)氧化劑而造成的。
12.如權(quán)利要求8至11中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面改性包括氣相化學(xué)改性。
13.如權(quán)利要求12所述的陰極電極，其中所述氣相化學(xué)改性是通過(guò)氧等離子處理而造成的。
14.如權(quán)利要求8至13中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面改性包括等離子蝕刻。
15.如權(quán)利要求8至14中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面改性包括熱處理。
16.如權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的陰極電極,其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述布置或構(gòu)建能夠包括壓縮所述電極。
17.如權(quán)利要求16所述的陰極電極，其中所述壓縮顯著超出推薦的壓縮率。
18.如權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)被壓縮至小于其原始厚度的80%。
19.如權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)被壓縮至小于其原始厚度的70%。
20.如權(quán)利要求1至19中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)被壓縮至小于其原始厚度的60%。
21.如權(quán)利要求1至20中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)被壓縮至小于其原始厚度的50%。
22.如權(quán)利要求1至21中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)是可壓縮的。
23.如權(quán)利要求1至22中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括軟纖維類(lèi)結(jié)構(gòu)。
24.如權(quán)利要求1至23中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括碳布。
25.如權(quán)利要求24所述的陰極電極，其中所述碳布是梭織或針織的。
26.如權(quán)利要求25所述的陰極電極，其中所述碳布是梭織的。
27.如權(quán)利要求1至23中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括碳紙。
28.如權(quán)利要求1至23中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括碳罩。
29.如權(quán)利要求1至23中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括碳/PTFE復(fù)合介質(zhì)。
30.如權(quán)利要求1至23中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括碳?xì)饽z。`
31.如權(quán)利要求1至26中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括活性炭布。
32.如權(quán)利要求1至23中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括經(jīng)壓縮的碳租。
33.如權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括剛性碳結(jié)構(gòu)。
34.如權(quán)利要求33所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括網(wǎng)狀玻璃碳。
35.如權(quán)利要求1至34中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有不大于2_的厚度。
36.如權(quán)利要求1至35中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有小于Imm的厚度。
37.如權(quán)利要求1至36中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有小于0.4mm的厚度。
38.如權(quán)利要求1至37中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有小于0.25mm的厚度。
39.如權(quán)利要求1至38中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)呈一個(gè)或多個(gè)板的形式。
40.如權(quán)利要求39所述的陰極電極，其中所述一個(gè)或多個(gè)板具有250mmx250mm的尺寸。
41.如權(quán)利要求1至40中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面是對(duì)陰極液反應(yīng)的。
42.如權(quán)利要求1至41中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有600至30000cm2/cm3的比表面積。
43.如權(quán)利要求1至42中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有3000cm2/cm3的比表面積。
44.如權(quán)利要求1至43中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有不大于17mQcm2的貫通面電阻。
45.如權(quán)利要求1至44中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有不大于5mQcm2的貫通面電阻。
46.如權(quán)利要求1至45中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料在80°C中穩(wěn)定在pHO的氧化環(huán)境中。
47.如權(quán)利要求1至46中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料在95°C中穩(wěn)定在pHO的氧化環(huán)境中。
48.如權(quán)利要求1至47中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料在120°C中穩(wěn)定在pHO的氧化環(huán)境中。
49.如權(quán)利要求1至48中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料在升高的壓力下為穩(wěn)定的。
50.如權(quán)利要求49所述的陰極電極，其中所述升高的壓力大于大氣(或周?chē)h(huán)境)壓力，但小于5bar的絕對(duì)壓力。
51.如權(quán)利要求1至50中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有至少5xlOnm2的孔隙結(jié)構(gòu)滲透性。
52.如權(quán)利要求1至51中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括碳或金屬中的至少一種。
53.如權(quán)利要求1至52中任一項(xiàng)所述的陰極電極，其中所述多孔骨架介質(zhì)是自支承。
54.如權(quán)利要求1至53中任一項(xiàng)所述的陰極電極,其中所述表面改性、布置或構(gòu)建導(dǎo)致所述陰極電極的可濕性增加。
55.一種制造燃料電池的陰極電極的方法，所述方法包括以下步驟: 提供多孔骨架介質(zhì)；以及 對(duì)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面進(jìn)行改性或以其他方式構(gòu)建或布置以誘導(dǎo)增強(qiáng)活性行為。
56.如權(quán)利要求55所述的方法，其中所述對(duì)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面進(jìn)行改性的步驟包括:增加所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面積。
57.如權(quán)利要求56所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面積是通過(guò)提供至少一個(gè)加大的表面區(qū)域而增加的。
58.如權(quán)利要求55至57中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述對(duì)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面進(jìn)行改性的步驟包括: 通過(guò)碳顆粒對(duì)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面進(jìn)行濺射涂覆。
59.如權(quán)利要求58所述的方法，其中所述濺射工藝包括真空濺射。
60.如權(quán)利要求55至59中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述對(duì)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面進(jìn)行改性的步驟包括: 將碳顆粒物理吸附到所述多孔骨架介質(zhì)上。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，其中所述物理吸附工藝包括以下步驟:在載體中提供所述碳顆粒的懸浮物； 使所述多孔骨架介質(zhì)與所述碳顆粒的所述懸浮物進(jìn)行接觸；以及 蒸發(fā)所述載體以使所述碳顆粒通過(guò)物理吸附保持沉積在所述多孔骨架介質(zhì)上。
62.如權(quán)利要求61所述的方法，還包括對(duì)所述碳顆粒進(jìn)行熱處理以將所述碳顆粒粘接到所述多孔骨架介質(zhì)的步驟。
63.如權(quán)利要求55至62中任一項(xiàng)所述的方法，其中對(duì)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面進(jìn)行改性的步驟包括: 用于將碳應(yīng)用到所述多孔骨架介質(zhì)的模板法。
64.如權(quán)利要求63所述的方法，其中所述模板法包括以下步驟: 將模板應(yīng)用到所述多孔骨架介質(zhì)； 在所述模板上方沉積碳；以及 去除所述模板以保留沉積在所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面上的碳。
65.如權(quán)利要求64所述的方法，其中所述模板是可溶的。
66.如權(quán)利要求63至65中任一項(xiàng)所述的方法，其中以特定形式將所述模板布置在所述多孔骨架介質(zhì)上，所述特定形式是根據(jù)所述多孔骨架介質(zhì)的預(yù)定應(yīng)用而選擇的。
67.如權(quán)利要求55至66中任一項(xiàng)所述的方法，其中對(duì)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面進(jìn)行改性的步驟包括: 將碳化學(xué)氣相沉積到所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面上。
68.如權(quán)利要求55至67中任一項(xiàng)所述的方法，其中對(duì)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面進(jìn)行改性的步驟包括: 將碳化學(xué)氣相滲透到所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面上。
69.如權(quán)利要求55至68中任一項(xiàng)所述的方法，其中對(duì)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面進(jìn)行改性的步驟包括: 增加每單位表面積的電化學(xué)反應(yīng)點(diǎn)的數(shù)量。
70.如權(quán)利要求69所述的方法，包括進(jìn)行液態(tài)化學(xué)改性以改變所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面的化學(xué)性的步驟。
71.如權(quán)利要求69或70所述的方法，包括對(duì)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面進(jìn)行氧化的步驟。
72.如權(quán)利要求71所述的方法，其中所述氧化步驟是通過(guò)使用如硝酸或硫酸的強(qiáng)酸，和/或如過(guò)硫酸銨的強(qiáng)氧化劑進(jìn)行的。
73.如權(quán)利要求55至72中任一項(xiàng)所述的方法，其中對(duì)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面進(jìn)行改性的步驟包括氣相化學(xué)改性。
74.如權(quán)利要求73所述的方法，其中所述氣相化學(xué)改性是通過(guò)氧等離子處理而造成的。
75.如權(quán)利要求55至74中任一項(xiàng)所述的方法，其中對(duì)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面進(jìn)行改性的步驟包括等離子蝕刻。
76.如權(quán)利要求75所述的方法，其中所述等離子蝕刻包括: 將微多孔蝕刻到所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面中。
77.如權(quán)利要求55至76中任一項(xiàng)所述的方法，其中對(duì)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面進(jìn)行改性的步驟包括熱處理。
78.如權(quán)利要求55至77中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)的構(gòu)建或布置能包括壓縮所述電極。
79.如權(quán)利要求78所述的方法，其中所述壓縮顯著超出推薦的壓縮率。
80.如權(quán)利要求55至79中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)是可壓縮的。
81.如權(quán)利要求55至80中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)被壓縮至小于其原始厚度的80%。
82.如權(quán)利要求55至81中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)被壓縮至小于其原始厚度的70%。
83.如權(quán)利要求55至82中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)被壓縮至小于其原始厚度的60%。
84.如權(quán)利要求55至83中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)被壓縮至小于其原始厚度的50%。
85.如 權(quán)利要求55至84中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括軟纖維類(lèi)結(jié)構(gòu)。
86.如權(quán)利要求55至85中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括碳布。
87.如權(quán)利要求86所述的方法，其中所述碳布是梭織或針織的。
88.如權(quán)利要求87所述的方法，其中所述碳布是梭織的。
89.如權(quán)利要求55至85中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括碳紙。
90.如權(quán)利要求55至85中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括碳罩。
91.如權(quán)利要求55至85中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括碳/PTFE復(fù)合介質(zhì)。
92.如權(quán)利要求55至85中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括碳?xì)饽z。
93.如權(quán)利要求55至88中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括活性炭布。
94.如權(quán)利要求55至85中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括經(jīng)壓縮的碳?xì)帧?br> 95.如權(quán)利要求55至77中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括剛性碳結(jié)構(gòu)。
96.如權(quán)利要求95所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括網(wǎng)狀玻璃碳。
97.如權(quán)利要求55至96中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有不大于2mm的厚度。
98.如權(quán)利要求55至97中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有小于Imm的厚度。
99.如權(quán)利要求55至98中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有小于0.4mm的厚度。
100.如權(quán)利要求55至99中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有小于0.25mm的厚度。
101.如權(quán)利要求55至100中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)呈一個(gè)或多個(gè)板的形式。
102.如權(quán)利要求101所述的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)板具有250mmx250mm的尺寸。
103.如權(quán)利要求55至102中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面是對(duì)陰極液反應(yīng)的。
104.如權(quán)利要求55至103中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有600至30000cm2/cm3的比表面積。
105.如權(quán)利要求55至104中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有3000cm2/cm3的比表面積。
106.如權(quán)利要求55至105中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有不大于17mQcm2的貫通面電阻。
107.如權(quán)利要求55至106中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有不大于5mQcm2的貫通面電阻。
108.如權(quán)利要求55至107中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料在80°C中穩(wěn)定在pHO的氧化環(huán)境中。
109.如權(quán)利要求55至108中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料在95°C中穩(wěn)定在pHO的氧化環(huán)境中。
110.如權(quán)利要求55至109中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料在120°C中穩(wěn)定在pHO的氧化環(huán)境中。
111.如權(quán)利要求55至110中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料在升高的壓力中為穩(wěn)定的。
112.如權(quán)利要求111所述的方法，其中所述升高的壓力大于大氣(或周?chē)h(huán)境)壓力，但小于5bar的絕對(duì)壓力。`
113.如權(quán)利要求55至112中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)所述多孔骨架介質(zhì)的所述表面被改性，所述多孔骨架介質(zhì)和/或材料具有至少5xl011m2的孔隙結(jié)構(gòu)滲透性。
114.如權(quán)利要求55至113中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)包括碳或金屬中的至少一種。
115.如權(quán)利要求55至114中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔骨架介質(zhì)是自支承。
116.如權(quán)利要求55至115中任一項(xiàng)所述的方法,其中所述表面改性、布置或構(gòu)建導(dǎo)致所述陰極電極的可濕性增加。
117.一種燃料電池，所述燃料電池具有根據(jù)權(quán)利要求1至54中任一項(xiàng)所述的陰極電極。
118.—種根據(jù)權(quán)利要求1至54中任一項(xiàng)所述的陰極電極在燃料電池中的使用。
119.一種根據(jù)權(quán)利要求1至54中任一項(xiàng)所述的陰極電極在用于移動(dòng)電話天線桿的后備電源應(yīng)用中的使用。
120.—種根據(jù)權(quán)利要求1至54中任一項(xiàng)所述的陰極電極在需要大約2至IOkW功率的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中的使用。
121.—種根據(jù)權(quán)利要求1至54中任一項(xiàng)所述的陰極電極在固定電源應(yīng)用中的使用,所述固定電源應(yīng)用包括替代離網(wǎng)應(yīng)用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組或更大的后備電源。
122.—種根據(jù)權(quán)利要求1至54中任一項(xiàng)所述的陰極電極在包括汽車(chē)的交通應(yīng)用中的使用。
123.—種基本如本文中參照附圖所描述的且如附圖中所圖示的燃料電池的陰極電極。
124.—種制造基本如本文中參照附圖所描述的且如附圖中所圖示的燃料電池的陰極電極的方法。
125.—種具有基本如本文中參照附圖所描述的且如附圖中所圖示的陰極電極的燃料電池。
126.—種基 本如本文中參照附圖所描述的且如附圖中所圖示的陰極電極的使用。
【文檔編號(hào)】H01M4/96GK103733402SQ201280030919
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2012年6月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月22日
【發(fā)明者】安迪·克瑞斯, 尼克·貝尼斯, 安迪·波特, 克雷格·P·多森, 克萊爾·路易斯·當(dāng)斯 申請(qǐng)人:Acal 能源公司