[發明專利]燃料電池催化劑、包含其的燃料電池電極及膜電極組件

在審

• 申請號: 202011430704.4
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN112952117A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 劉大鐘;林勇虎;俞恩英
• 申請（專利權）人: 現代摩比斯株式會社
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/86;H01M8/1004
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 李杰

本公開涉及一種燃料電池催化劑、包含其的燃料電池電極及膜電極組件。在一個實施方式中，燃料電池催化劑包括：載體，其包括由下式1表示的氮氧化鈦；和負載在載體上的活性物質：[式1]TiO_1?yN_y其中，0.05y0.9。

技術領域

本公開的示例性實施方式涉及一種燃料電池催化劑、包括該燃料電池催化劑的燃料電池電極以及包括該燃料電池催化劑的膜電極組件。更具體地，一種具有優異活性和高電位耐久性的燃料電池催化劑，一種包括該燃料電池催化劑的燃料電池電極，和一種包括該燃料電池催化劑的膜電極組件。

背景技術

燃料電池是一種通過將燃料氫氧化將化學能轉化為電能來發電的裝置。燃料電池可以使用利用可再生能源產生的氫氣，產生水作為反應產物，并且由于不產生空氣污染物或溫室氣體，因此作為一種環保能源而受到關注。根據所用電解質和燃料的種類，將燃料電池分為質子交換膜燃料電池(PEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)。

其中，質子交換膜燃料電池具有較低的工作溫度、較高的能量密度、快速的啟動特性和優異的響應特性，因此，已經積極地進行了將其用作汽車、各種電子設備、運輸和發電的能源的技術的研究。

在燃料電池中，氫被提供給陽極，并且氧被提供給陰極。陽極的催化劑將氫氧化成質子，質子穿過質子傳導膜并被陰極的催化劑由氧還原而產生電力。

圖1示意性地示出了在常規燃料電池的陰極中發生的催化氧化過程。參考圖1，燃料電池1000包括膜電極組件(MEA)100，膜電極組件(MEA)100包括陰極10、陽極20以及介于陰極10和陽極20之間的電解質膜30，其中陽極和陰極各自包括催化劑，該催化劑包括活性物質(active material，活性材料)和負載(support，支撐)該活性物質的載體(support，支撐體)。此外，可以在膜電極組件100的兩側上分別依次形成氣體擴散層(GDL)40和42以及隔膜(separator，隔板)50和52。

參見圖1，提供給燃料電池陽極(氫電極)的氫被分離成氫離子和電子(H₂→2H⁺+2e^-,E₀＝0.0V)，并且空氣被供應到燃料電池陰極(空氣電極)并被分離成氧離子和電子(1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O,E₀＝1.23V)。通過分離的電子的運動產生電，并且氫和氧彼此接觸以產生熱量，同時產生水(H₂O)(整體反應＝1/2O₂+H⁺→H₂O,E₀＝1.23V)。同時，使用催化劑來提高燃料電池的反應效率。作為常規燃料電池陽極(氫電極)催化劑，使用具有優異氧還原反應特性的鉑(Pt)，并且作為用于負載催化劑的載體，使用具有大比表面積(500m²/g或更大)和優良導電性(小于25S/cm)的碳(C)載體。

同時，對于用于車輛中的燃料電池，在車輛電源的接通/斷開期間，陰極的氧化電勢升高1.2V或更多。此時，如圖1所示，發生陰極的碳載體11發生氧化的現象(C+2H₂O→CO₂+4H⁺+4e^-)并且發生活性物質12的脫嵌(deintercalation)和附聚，從而降低了催化劑的性能。此外，隨著碳載體被氧化，出現的問題是，每個催化劑層和膜電極組件的厚度減小，并且電極的性能劣化。