專利名稱：多孔介質(zhì)上的薄膜催化劑以及使用該催化劑的電化學(xué)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的一個或多個實施例涉及多孔介質(zhì)上的薄膜催化劑以及使用該催化劑的電化學(xué)電池。
背景技術(shù)：
盡管為了將燃料電池(FC)技術(shù)用在機動車應(yīng)用中而對可靠性和工作壽命已經(jīng)進行了考慮，但催化劑活性仍是使燃料電池技木、尤其是使燃料電池車輛商業(yè)化時需要周密考慮的ー個因素。已經(jīng)進行的努力，是將重點放在了開發(fā)具有理想的電催化氧還原反應(yīng) (ORR)的燃料電池催化劑上。為此，諸如公知的芯-外殼式納米顆粒的燃料電池催化劑表現(xiàn)出了優(yōu)于支撐在碳上的純鉬納米顆粒和/或純鉬合金納米顆粒的某種進歩。然而，這些傳統(tǒng)的芯-外殼式催化劑由于是納米顆粒而仍然容易出現(xiàn)結(jié)塊、分解和耐久性問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的ー個方面，提供了一種催化劑組件。在一個實施例中，該催化劑組件包括多孔基底材料，其包括基底塊和外表面，基底塊包括用于使流體穿過其擴散的孔隙網(wǎng)絡(luò)；以及支撐在孔隙網(wǎng)絡(luò)的至少一部分上的ニ維O-D)廣延催化劑，以提供沿基底塊的厚度尺寸基本恒定的催化劑濃度分布曲線。在某些情況下，孔隙網(wǎng)絡(luò)包括用于支撐2-D廣延催化劑的至少一部分的內(nèi)部孔隙表面。在某些情況下，2-D廣延催化劑具有1至50個原子層的厚度尺寸。在某些其他的情況下，基底材料是導(dǎo)電的。在另ー個實施例中，催化劑組件還包括鄰近多孔基底材料的一定體積的電解質(zhì)。 在某些情況下，所述一定體積的電解質(zhì)具有重量百分比不大于5%的溶劑含量。在又一個實施例中，基底塊包括分別具有第一平均孔隙尺寸和第二平均孔隙尺寸的第一基底層和第二基底層，其中第一平均孔隙尺寸不同于第二平均孔隙尺寸。在某些情況下，基底塊還包括與第二基底層相鄰地設(shè)置且具有第三平均孔隙尺寸的第三基底層，其中第二基底層定位在第一基底層與第三基底層之間。在某些其他的情況下，第一平均孔隙尺寸比第二平均孔隙尺寸小，并且第二平均孔隙尺寸比第三平均孔隙尺寸小。在又ー些其他的情況下，2-D廣延催化劑接觸第一基底層和第二基底層兩者的ー個或多個孔隙。在又一個實施例中，2-D催化劑包括各自接觸內(nèi)部孔隙表面的兩個或更多個隔開的催化劑片段。在又一個實施例中，基底塊還包括從內(nèi)部孔隙表面縱向延伸的多個線。在某些情況下，2-D廣延催化劑接觸所述多個線的至少一部分。根據(jù)另一方面，提供了ー種包括多孔基底材料的電化學(xué)電池，該多孔基底材料包括基底塊和外表面，該外表面包括第一和第二隔開的表面部分，多孔基底材料包括連續(xù)的流體流動導(dǎo)管，該導(dǎo)管從第一表面部分延伸到第二表面部分，用于輸送流體經(jīng)過多孔基底材料。優(yōu)選地，該電化學(xué)電池還包括孔隙網(wǎng)絡(luò)，該孔隙網(wǎng)絡(luò)總體地包括內(nèi)部孔隙表面。
優(yōu)選地，該電化學(xué)電池還包括支撐在該內(nèi)部孔隙網(wǎng)絡(luò)的至少一部分上的O-D)廣延催化劑。優(yōu)選地，2-D廣延催化劑具有1至50個原子層的厚度尺寸。優(yōu)選地，基底塊包括分別具有第一平均孔隙尺寸和第二平均孔隙尺寸的第一基底層和第二基底層，該第一平均孔隙尺寸不同于該第二平均孔隙尺寸。優(yōu)選地，基底塊還包括從該孔隙表面縱向延伸的多個線。再一方面，本發(fā)明提供ー種電化學(xué)電池，包括催化劑組件，該催化劑組件包括 基底材料，其限定有基底塊和定位在該基底塊上或該基底塊內(nèi)的至少ー個孔隙；和接觸該至少ー個孔隙的孔隙表面的至少一部分的O-D)廣延催化劑，以及一定體積的電解質(zhì)，該一定體積的電解質(zhì)靠近該催化劑組件定位并且具有重量百分比不大于5%的溶劑含量。優(yōu)選地，基底塊還包括從該孔隙表面縱向延伸的多個線，并且其中該2-D廣延催化劑接觸該多個線的至少一部分。


圖1描繪了根據(jù)ー個實施例的電化學(xué)電池的立體圖；圖2描繪了圖1的電化學(xué)電池的橫截面圖；圖3A描繪了根據(jù)另ー個實施例的電化學(xué)電池的橫截面圖；圖加描繪了圖3A的放大截面圖；圖3C描繪了圖加的放大截面圖；圖4A描繪了根據(jù)又ー個實施例的多孔基底的橫截面圖；圖4B1描繪了沿線4B1-4B1截取的圖4A的平面圖；圖4B2描繪了圖4B1的放大截面圖；圖4B3描繪了圖4B2的放大截面圖；圖5A描繪了根據(jù)又ー個實施例的電化學(xué)電池的橫截面圖；圖5B描繪了圖5A的電化學(xué)電池的變型的橫截面圖；圖5C描繪了圖5B的電化學(xué)電池的變型的橫截面圖；圖6A至6E描繪了根據(jù)本文公開的ー個或多個示例的具有薄膜催化劑的多孔板構(gòu)造的各種視圖；圖7描繪了從關(guān)于圖6A至6E的多孔板構(gòu)造得到的電壓-電流圖(或極化曲線)；圖8A至8E描繪了根據(jù)又ー個實施例，在為了增強催化劑表面面積而產(chǎn)生的線的放大率增大時的SEM(掃描電子顯微鏡)圖像；圖9A至9C描繪了根據(jù)又ー個實施例的形成線的エ藝步驟的示意圖；以及圖IOA至IOD描繪了利用圖9A至9C的模板形成線的エ藝步驟的示意圖。
具體實施例方式根據(jù)需要，在此公開了本發(fā)明的詳細實施例。然而，應(yīng)當理解，所公開的實施例僅僅是對可以以多種替代性的形式實施的本發(fā)明的示例。附圖不一定是按真實比例繪制的； 為了示出特定組成部分的細節(jié)，對ー些特征進行了放大或最小化。因此，此處公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細節(jié)不應(yīng)理解為限制性的，而是僅僅作為權(quán)利要求的代表性基礎(chǔ)和/或教導(dǎo)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員以各種方式實施本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。另外，除非另有明確說明，否則本說明書和權(quán)利要求中的所有數(shù)量都應(yīng)理解為在描述本發(fā)明的較寬范圍時由詞語“大約”修飾。另外，除了進行了明確的相反說明，否則，對干與本發(fā)明有關(guān)的給定目的來說是合適的或優(yōu)選的一組或ー類材料的描述，暗指這組或這類材料中的任何兩個或更多個構(gòu)成部分的混合物也可以等同地合適或優(yōu)選。在一個或多個實施例中，本發(fā)明提供一種催化劑組件和使用催化劑的電化學(xué)電池，所述催化劑相比于傳統(tǒng)的位于碳上的鉬納米顆粒具有改進的催化劑穩(wěn)定性并因此具有降低的系統(tǒng)成本。如在本文中其他地方所詳細論述的，催化劑被沉積在多孔基底上，作為與多孔基底的孔隙接觸的薄膜和/或大量薄膜。在某些情況下，電化學(xué)電池被設(shè)置成使得催化劑與氣體流動場和/或氣體擴散層被集成在一件式構(gòu)造中，或者集成為單體。在一個或多個實施例中，術(shù)語“電化學(xué)電池”指的是能夠從化學(xué)反應(yīng)得到電能或者通過引入電能來促進化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備。電化學(xué)電池可以包括不可再充電初級電池、可再充電ニ級電池、或兩者的組合。對于初級電池，當反應(yīng)物的初始供給耗盡吋，能量便不能通過電氣裝置容易地儲存于電化學(xué)電池。對于ニ級電池，可以通過向電池供應(yīng)電能來使化學(xué)反應(yīng)逆向發(fā)生，從而恢復(fù)到其原始成分。電化學(xué)電池的一個非限制性示例是燃料電池，并且在某些特定的情況下是聚合物電解質(zhì)隔膜燃料電池(PEMFC)。根據(jù)本發(fā)明的ー個方面，如圖1所示，諸如PEMFC的電化學(xué)電池一般用100表示。 在一個實施例中，如圖1所示，電化學(xué)電池100包括一對雙極板122和124，雙極板122和 124上分別形成有流動通道1 和128。流動通道1 和1 可以在雙極板122和124中的每個的兩側(cè)上以預(yù)定間隔形成。燃料電池100還包括設(shè)置在雙極板122與IM之間的離子交換隔膜134。諸如燃料電極130的第一電極設(shè)置在離子交換隔膜134與雙極板122之間，并且諸如空氣電極132的第二電極設(shè)置在離子交換隔膜134與雙極板IM之間。雙極板122和IM分別與第一電極130和第二電極132電接觸，并且減少或防止了燃料與空氣 (氧化劑)混合。在某些情況下，雙極板1 可以定位成相對于雙極板122轉(zhuǎn)過90度。在另ー個實施例中，如圖2所示，圖1的電化學(xué)電池100的橫截面圖一般用200表示。離子交換隔膜234兩側(cè)是第一電極230和第二電極232。在這種構(gòu)造中，第一電極230 包括第一氣體擴散層230a和第一催化劑層230b ；并且第二電極232包括第二氣體擴散層 232a和第二催化劑層232b。位于電極230、232之外的分別是第一雙極板222和第二雙極板224。進ー步位于雙極板222和2M之外的分別是第一電流收集板238和第二電流收集板ぬ6。在工作中，如圖2所示，含氫的燃料被送入而與第一電極230接觸；并且含氧的氣體(如空氣)被送入而與第二電極232接觸。諸如質(zhì)子的氫離子穿過離子交換隔膜234移動到第二電極232側(cè)，而電子經(jīng)由外部電路(未示出)移動到第二電極232側(cè)。在第二電極232中，氧、電子和氫離子發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生水。當反應(yīng)氣體被供至相應(yīng)的電極230、232吋，通常認為，形成涉及氣相(反應(yīng)氣體)、離子導(dǎo)電相(ionically conducting phase)、以及導(dǎo)電相(electrically conducting phase)的三相界面。如圖2所示，電化學(xué)反應(yīng)包括下面的反應(yīng)在第一電極側(cè) H2 - 2H++2e_ ；在第二電極側(cè)l/202+2H++2e- - H2O0形成在第一電極側(cè)的氫離子(H+)穿過固體電解質(zhì)隔膜遷移到第二電極側(cè)，而電子則通過外部負載遷移到第二電極側(cè)。另ー方面，在第二電極側(cè)，氧化劑氣體中所含的氧與來自第一電極側(cè)的H+離子和電子發(fā)生反應(yīng)，從而形成水。因此，燃料電池在形成水的同時從氫和氧產(chǎn)生直流電。圖3A描繪了根據(jù)另ー個實施例的電化學(xué)電池的橫截面圖。如圖3A所示，一般用 300表示的電化學(xué)電池包括結(jié)合氣體流動場304、離子交換隔膜306以及可選的氣體擴散層 308示出的催化劑組件302。在某些情況下，氣體流動場304可以等同于圖2的204、206。 圖3B描繪了催化劑組件302的部分3A的放大圖。圖3C描繪了圖加中所示的部分加的放大圖。如圖3C所示，催化劑組件302包括限定了基底塊320和孔隙網(wǎng)絡(luò)322的基底材料， 孔隙網(wǎng)絡(luò)322位于基底塊320上或基底塊320內(nèi)，并且總體地具有內(nèi)部孔隙表面324。孔隙 322中的ー個或多個可以構(gòu)造成供水分子和反應(yīng)氣體分子穿過。催化劑302還包括與內(nèi)部孔隙表面324的至少一部分接觸的ニ維Q-D)廣延催化劑326。在某些情況下，2-D廣延催化劑3 構(gòu)造成為2-D廣延催化劑薄膜。在一個或多個實施例中，術(shù)語“2-D廣延”指的是催化劑3 構(gòu)造成相對于其厚度維度或ζ軸在χ軸和/或y軸上是廣延的。在該設(shè)計中，與催化劑納米顆粒相比，2-D廣延催化劑3 表現(xiàn)的更像仿塊狀催化劑。在某些情況下，2-D廣延催化劑102可以具有1至 50個、或者具體是2至20個原子層的范圍內(nèi)的厚度尺寸，而χ和y尺寸的范圍可以是100 納米或更大。用于形成基底塊320的多孔基底材料可以是任何合適的材料。在某些情況下，基底材料包括金屬、金屬合金、陶瓷、聚合物、含碳材料、或其組合。在某些特定的情況下，基底材料是導(dǎo)電的?？紫侗砻?M與2-D廣延催化劑3 之間的接觸形式和范圍可以變化。例如，如圖 3C的區(qū)域C. 1所示，2-D廣延催化劑層3 與孔隙表面324的一部分接觸；如圖3C的區(qū)域 C. 2所示，2-D廣延催化劑層3 可以覆蓋整個孔隙表面324，并且孔隙322可以含有ー種或多種離子交聯(lián)聚合物和/或多孔碳，以幫助質(zhì)子和氣體的輸送以及水分管理；如區(qū)域C. 3所示，孔隙322接觸2-D催化劑層3 并且含有一種或多種離子交聯(lián)聚合物。如區(qū)域C. 4所示，孔隙322含有2-D催化劑層324，并且充滿了水和離子交聯(lián)聚合物。如區(qū)域C. 5所示，孔隙表面3M接觸2-D廣延催化劑層326的兩個或更多個間隔開的片段328。如圖3C所示的區(qū)域C. 6所描繪的，基底320還包括從孔隙表面3 縱向延伸的多個線330，線330的至少一部分可以與2-D廣延催化劑層3 接觸。如區(qū)域C. 7所示，可以獨立于或附加于孔隙322 設(shè)置輔助孔隙，以幫助反應(yīng)物輸送和水分管理。在某些情況下，輔助孔隙可以是基底320固有的天然孔隙，其中孔隙322可以隨后圍繞已經(jīng)具有圖C. 7所示的輔助孔隙的基底320形成在基底320中。往回參照圖3A，催化劑組件具有沿厚度尺寸“T”的基本恒定的催化劑濃度分布曲線。在一個或多個實施例中，術(shù)語“基本恒定”指的是催化劑326的分布使得塊狀基底320 的沿尺寸“T”的任何兩個部分之間的催化劑濃度差不大于50 %、40 %、30 %、20 %、10 %、 5% 或 1%。往回參照圖3C，根據(jù)這里公開的ー個或多個示例，線330可以通過陽極化的鋁氧化來形成。在一個或多個實施例中，線330可以包括具有微米和/或納米范圍內(nèi)的可變長度的線。因此，線330可以包括微米線和/或納米線。在某些情況下，術(shù)語“線”可以指代具有任何合適的形狀以提供増加的表面面積的任何納米結(jié)構(gòu)。在某些其他情況下，術(shù)語“線” 并不一定表示線330具有納米級的尺寸。線330可以具有納米級的平均直徑和/或微米級的平均長度。在又ー些其他情況下，術(shù)語“線”可以指代在含在孔隙中的離子交聯(lián)聚合物混合物內(nèi)浮動并且不一定接觸或附接于任何孔隙表面的納米結(jié)構(gòu)。在另ー個實施例中，如圖4A所示，催化劑組件302的變型一般用402表示。催化劑組件402包括兩個或更多個層，例如40加、402ヒ和402c。在某些情況下，層402c的平均孔隙尺寸大于層402b的平均孔隙尺寸，而層402b的平均孔隙尺寸則大于層40 的平均孔隙尺寸。在不希望受任何特定理論限制的情況下，認為分層的催化劑組件402有助于提供固有的孔隙率梯度、催化劑裝載/類型梯度、固有的水分輸送梯度、和/或質(zhì)子輸送梯度，這些梯度能夠通過改變孔隙尺寸、催化劑裝載/類型、和/或?qū)?(^a、402b或402c的厚度來進ー步修改。圖4B1描繪了沿線4B-4B截取的催化劑組件402的截面平面圖。圖4B2描繪了圖 4B1所示的一部分4B2的放大圖，示出了形狀和/或尺寸基本統(tǒng)ー的多個孔隙422。在ー個變型中，如示出了圖4B1的一部分4B3的放大圖的圖4B3所示，孔隙422可以沿χ軸或y軸或ζ軸方向具有不同的尺寸和/或不同的形狀。在又一個實施例中，如圖5A所示，提供了電化學(xué)電池500作為圖3A的電化學(xué)電池 300的變型。在該設(shè)計中，電化學(xué)電池500包括氣體流動場504、接觸氣體流動場504的催化劑組件502、以及靠接催化劑組件502設(shè)置的可選的隔膜506。該設(shè)計有效地消除了對諸如⑶L308的氣體擴散層(OTL)的需要，并且因此相應(yīng)地降低了制造和維護成本。在某些情況下，催化劑組件502包括ー種或多種碳材料，如炭黒、碳纖維、碳粉和碳棒。在不希望受任何特定理論限制的情況下，認為碳材料有助于增強電子導(dǎo)電率并因此增強電子穿過催化劑組件502的輸送。在一個或多個實施例中，術(shù)語“碳”或“碳材料”通常指代由于其多孔性可増加反應(yīng)物輸送的材料和/或具有導(dǎo)電性的材料。碳材料內(nèi)的孔隙可以被可選地填充離子交聯(lián)聚合物混合物，以幫助質(zhì)子輸送。在又一個實施例中，如圖5B所示，電化學(xué)電池500可以變型，使得氣體流動通道 542形成在催化劑組件502內(nèi)，一起形成催化剤-流動通道復(fù)合體M0。在某些情況下，可以在催化劑組件502內(nèi)創(chuàng)建開口腔，以形成氣體流動通道M2。在某些其他情況下，利用分離器544使氣體流動通道542與催化劑組件502分離。在不希望受任何特定理論限制的情況下，認為分離器544有助于使從氣體流動通道M2向外到催化劑組件502的氣體分布變均勻。還認為，分離器544有助于減小氣體流動通道542塌陷的風(fēng)險。分離器544可以由任何合適的材料形成。在某些特定的情況下，分離器544包括碳紙、碳布、或其組合。在某些其他情況下，可以在催化剤-流動通道復(fù)合體540的外部設(shè)置密封件M6，以減小或消除通過存在于催化劑組件502內(nèi)的孔隙的氣體泄漏。在又一個實施例中，如圖5C所示，除了氣體流動通道542之外，還可以沿催化剤-流動通道復(fù)合體540的部分形成冷卻劑通道M8，從而為燃料電池的工作提供冷卻或加熱。在該構(gòu)造中，催化剤-流動通道復(fù)合體540可以制造的相對較薄，以通過保持整個復(fù)合體540在體積上更緊湊而提供附加的成本或能量優(yōu)點。在對本發(fā)明進行了總的描述之后，能夠通過參照某些具體的示例獲得進一步的理解。這些示例在本文僅僅用于示例目的而提供，并不意在作為限制，除非另有說明。示例示例1-具有GDL和氣體流動場的集成式催化劑塊在陽極側(cè)中使用具有5平方厘米有效面積的來自燃料電池技術(shù)(FCT)的盤旋形的流動場。在陽極側(cè)使用每平方米具有5克鉬的來自E-TEK(12_W系列)的氣體擴散電極 (GDE)，并且使用Nafion 117作為隔膜。在陰極側(cè)使用多孔板(Poco-graphite有限公司)，其配備有嵌入式流動場和支撐在多孔板的一側(cè)上的催化劑層。多孔板的尺寸為1.9〃 Xl. 9" x3/8"，其中具有75%的總孔隙率和95%的開孔孔隙率。在一個或多個實施例中，術(shù)語“開孔孔隙率”涉及的是孔隙中發(fā)生流體流的部分。 開孔孔隙率不包括盲端孔隙或非連接的孔隙。術(shù)語“總孔隙率”涉及的是涵蓋用于有效地輸送流體流的孔隙以及盲端孔隙或非連接的孔隙的總的孔隙體積。可以通過根據(jù)圖6A至6E對多孔板進行鉆孔來創(chuàng)建嵌入式流動場。通過應(yīng)用諸如環(huán)氧樹脂的膠粘劑來封閉或密封存在于多孔板的側(cè)部上的孔隙，然后，僅僅為多孔板留下一個氣流輸入和ー個氣流輸出。利用AC濺射將厚度為大約25納米的Pt薄膜應(yīng)用到多孔板上。圖6D和6E分別描繪了多孔板的平面圖和側(cè)視圖，其中Pt薄膜示出為面積為大約5平方厘米的相對較亮的中間部分?？梢岳冒ㄔ訉映练e或CVD在內(nèi)的其他或另外的Pt沉積方法(其中，前體氣體能夠一直穿入到多孔板的最小的孔隙中)來増加Pt加載。在本示例中，對于陽極和陰極，氫和空氣的流量分別是300/1000sCCm，并且電池在沒有背壓的情況下工作。在圖7中描繪了對于該系統(tǒng)的極化曲線，圖7示出了 0. 94V的 OCV (開路電壓)，該電壓證實了適當?shù)腛RR活性的實現(xiàn)。示例2 形成線可以使用多種方法來制造如本文所描述的線。在這些方法中，有蒸發(fā)-凝固、蒸汽-液體-固體(VLS)生長、以及基于模板的方法。在本示例中，使用市售的模板，如陽極化的氧化鋁隔膜(AAM)和輻射徑跡蝕刻聚碳酸酯(PC)隔膜。圖8A至8E描繪了利用陽極氧化鋁(AAO)隔膜生長的多個線的SEM圖像，其具有増大的放大率等級。通過在硫酸、草酸或磷酸的溶液中使氧化鋁片材或膜片陽極化來制造具有統(tǒng)ー和平行的孔隙的常用氧化鋁隔膜。如圖9A至9B所示，孔隙906可以以規(guī)則的六邊形陣列來排列，這能夠在圖9B中看到，并且能夠獲得多達每平方厘米IO11個孔隙?？紫兜某叽缭贗Onm 到IOOym之間。在孔隙形成后，孔隙906的底部的氧化物阻擋層通過溶解在氫氧化鈉中以及機械攪拌而被去除。然后，根據(jù)圖IOA至10D，接下來是隔膜蝕刻和催化劑電沉積。如圖IOA所示，將銅或金的導(dǎo)電層1402濺射到基底904的底部上；如圖IOB所示，線330隨著電沉積的繼續(xù)而在長度上延伸；如圖IOC所示，線330的端部被拋光，以獲得理想的光潔度；以及如圖10所示，通過使用諸如NaOH的堿去除和蝕刻隔膜904來獲得線330。示例3:線的規(guī)格測試利用由陽極氧化鋁(AAO)制造的模板在電化學(xué)電池中生長銅線，其中孔隙直徑為200nm、150nm和50nm。在圖8A至8E中示出了掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖8A至8E描繪了圖5B的催化劑區(qū)域104的一部分的放大圖，該部分含有多個從該部分的表面延伸的線，其中放大率分別為 1，250x、5, OOOxUO, 000x、20, OOOx 和 40，OOOx0表1將根據(jù)本示例生長的線的選定規(guī)格繪制成了表格。參照表1，一些測試規(guī)格根據(jù)下面的內(nèi)容來限定。參照圖9B，在AAO隔膜904內(nèi)創(chuàng)建多個孔隙906，其中AAO隔膜904 設(shè)有用“T”表示的平均厚度。如在本示例中使用的AAO隔膜904的平均厚度“ T”大約為 47-50 μ tm。為了示例的目的，如圖9C所示，一般用908表示的線在每個孔隙906內(nèi)生長到長度“L”。能夠通過控制納米線的生長程度來調(diào)節(jié)納米線的長度“L”;然而，對于AAO隔膜 904，長度“L”應(yīng)當不大于平均厚度“T”。參照表1，孔隙密度是AAO隔膜904的每平方厘米的孔隙906的數(shù)量。在本示例中，線330的生長被控制成使得線330具有1-1. 3 μ m的平均長度。參照表1，外圍面積是910所示的面積；底面積是912所示的面積；以及總的表面面積表示底面積與外圍面積之和乘以每平方厘米的線的總數(shù)或孔隙的總數(shù)，再加上基底上沒有生長線的位置的自由面積。表1 生長的線的選定規(guī)格
權(quán)利要求
1.ー種催化劑組件，其特征在干，包括包括基底塊和外表面的多孔基底材料，所述基底塊包括用于使流體穿過其擴散的孔隙網(wǎng)絡(luò)；以及支撐在所述孔隙網(wǎng)絡(luò)的至少一部分上以提供沿所述基底塊的厚度尺寸基本恒定的催化劑濃度分布曲線的ニ維O-D)廣延催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑組件，其特征在干，所述孔隙網(wǎng)絡(luò)包括支撐所述2-D廣延催化劑的至少一部分的內(nèi)部孔隙表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑組件，其特征在干，所述2-D廣延催化劑具有1至50 個原子層的厚度尺寸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑組件，其特征在干，所述多孔基底材料是導(dǎo)電的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑組件，其特征在于，還包括鄰近所述多孔基底材料的一定體積的電解質(zhì)，所述一定體積的電解質(zhì)包括重量百分比不大于5%的溶劑含量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑組件，其特征在干，所述基底塊包括分別具有第一平均孔隙尺寸和第二平均孔隙尺寸的第一基底層和第二基底層，所述第一平均孔隙尺寸不同于所述第二平均孔隙尺寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的催化劑組件，其特征在干，所述基底塊還包括第三基底層，所述第三基底層與所述第二基底層相鄰地設(shè)置并且具有第三平均孔隙尺寸，所述第二基底層定位在所述第一基底層與所述第三基底層之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的催化劑組件，其特征在干，所述第一平均孔隙尺寸比所述第 ニ平均孔隙尺寸小，并且所述第二平均孔隙尺寸比所述第三平均孔隙尺寸小。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的催化劑組件，其特征在干，所述2-D廣延催化劑接觸所述第一基底層和所述第二基底層兩者的ー個或多個孔隙。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的催化劑組件，其特征在干，所述2-D廣延催化劑包括各自接觸所述內(nèi)部孔隙表面的兩個或更多個間隔開的催化劑片段。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑組件，其特征在干，所述基底塊還包括從所述內(nèi)部孔隙表面縱向延伸的多個線。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的催化劑組件，其特征在干，所述2-D廣延催化劑接觸所述多個線的至少一部分。
13.ー種電化學(xué)電池，其特征在干，包括包括基底塊和外表面的多孔基底材料，所述外表面包括第一和第二間隔開的表面部分，所述多孔基底材料包括從所述第一表面部分延伸到所述第二表面部分的用于輸送流體經(jīng)過所述多孔基底材料的連續(xù)的流體流動導(dǎo)管。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電化學(xué)電池，其特征在于，還包括孔隙網(wǎng)絡(luò)，所述孔隙網(wǎng)絡(luò)總體地包括內(nèi)部孔隙表面。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電化學(xué)電池，其特征在于，還包括支撐在所述內(nèi)部孔隙網(wǎng)絡(luò)的至少一部分上的ニ維O-D)廣延催化劑。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電化學(xué)電池，其特征在干，所述2-D廣延催化劑具有1至 50個原子層的厚度尺寸。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電化學(xué)電池，其特征在干，所述基底塊包括分別具有第一平均孔隙尺寸和第二平均孔隙尺寸的第一基底層和第二基底層，所述第一平均孔隙尺寸不同于所述第二平均孔隙尺寸。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電化學(xué)電池，其特征在干，所述基底塊還包括從所述孔隙表面縱向延伸的多個線。
19.ー種電化學(xué)電池，其特征在干，包括催化劑組件，所述催化劑組件包括基底材料，其限定有基底塊和定位在所述基底塊上或所述基底塊內(nèi)的至少ー個孔隙；和接觸所述至少一個孔隙的孔隙表面的至少一部分的ニ 維O-D)廣延催化劑，以及一定體積的電解質(zhì)，所述一定體積的電解質(zhì)靠近所述催化劑組件定位并且具有重量百分比不大于5%的溶劑含量。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的電化學(xué)電池，其特征在干，所述基底塊還包括從所述孔隙表面縱向延伸的多個線，并且其中所述2-D廣延催化劑接觸所述多個線的至少一部分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多孔介質(zhì)上的薄膜催化劑以及使用該催化劑的電化學(xué)電池。在一個實施例中，催化劑組件包括多孔基底材料，多孔基底材料包括基底塊和外表面，基底塊包括孔隙網(wǎng)絡(luò)，孔隙網(wǎng)絡(luò)用于使流體穿過其擴散；以及二維廣延催化劑，二維廣延催化劑支撐在孔隙網(wǎng)絡(luò)的至少一部分上，以提供沿基底塊的厚度尺寸基本恒定的催化劑濃度變化曲線。在某些情況下，孔隙網(wǎng)絡(luò)包括用于支撐二維廣延催化劑的至少一部分的內(nèi)部孔隙表面。電化學(xué)電池包括基底塊和外表面的多孔基底材料。在另一實施例中，電化學(xué)電池包括催化劑組件；和接觸至少一個孔隙的孔隙表面的至少一部分的二維廣延催化劑。本發(fā)明中，催化劑具有改進的催化劑穩(wěn)定性并因此具有降低的系統(tǒng)成本。
文檔編號H01M4/90GK102544529SQ20111045261
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者阿里禮薩·佩熱曼·希爾瓦尼恩 申請人:福特環(huán)球技術(shù)公司