[发明专利]载体、燃料电池用电极、膜电极组件以及包含该组件的燃料电池

说明书

本发明提供关于高结晶性石墨化碳载体和包含所述载体的燃料电池用电极、膜电极组件以及燃料电池的技术，所述高结晶性石墨化碳载体包含具有高结晶性石墨化层的碳粒子，所述高结晶性石墨化层包含在其表面键合的官能团。本发明的一实施例涉及的高结晶性石墨化碳载体能够改善耐久性以及电化学活性，从而提升燃料电池的性能。

技术领域

本发明涉及一种载体、燃料电池用电极、膜电极组件以及包含该膜电极组件的燃料电池。更具体涉及一种能够应用于FCV(Fuel cell vehicle，燃料电池汽车)的耐久性优秀的载体以及包含该载体的燃料电池用电极、膜电极组件、燃料电池的技术。

背景技术

燃料电池是具备发电系统的电池，该发电系统将诸如甲醇、乙醇、天然气体的烃类的燃料物质中所含有的诸如氢气与氧气的氧化/还原反应的化学反应能直接转化成电能，由于高能效与污染物排放少的环保性特征，作为可替代化石能源的新一代清净能源而受到瞩目。

这种燃料电池通过层叠单位电池，形成电池堆结构，从而能够以不同范围进行输出，并且其能量密度为小型锂电池的4～10倍，因此作为小型及移动用便携式电源而备受关注。

燃料电池中实质性产生电的电池堆具有由数个至数十个单位电池层叠的结构，该单位电池由膜电极组件(Membrane Electrode Assembly，MEA)与隔板(separator)(或称“双极板(Bipolar Plate)”)构成，膜电极组件一般具有中间隔着电解质膜并在其两侧分别形成有氧化极(Anode或燃料极)与还原极(Cathode或空气极)的结构。

根据电解质的状态，燃料电池可分为碱性电解质膜燃料电池、高分子电解质膜燃料电池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell，PEMFC)等，其中，高分子电解质膜燃料电池由于小于100℃的低工作温度、快速的启动和响应特性以及优秀的耐久性等优点，作为便携用、车辆用及家庭用电源设备而备受关注。

作为高分子电解质膜燃料电池的代表性例，可举出将氢气用作燃料的质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)、将液态甲醇用作燃料的直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)等。

总结在高分子电解质膜燃料电池中发生的反应，首先，当诸如氢气的燃料供给到氧化极时，在氧化极上因氢气的氧化反应而生成氢离子(H⁺)与电子(e^-)。所生成的氢离子通过高分子电解质膜传递到还原极，所生成的电子通过外部电路传递到还原极。还原极被供给氧气，氧气与氢离子及电子结合，通过氧气的还原反应而生成水。

特别是，最近为了应用在燃料电池汽车(Fuel cell vehicle，FCV)，需要实现燃料电池系统的小型化，为此，需要开发出单位面积输出密度优秀的膜电极组件，特别是为了燃料电池汽车的实际运行，需要提高膜电极组件电极层的耐久性。

当前，用于应用在燃料电池汽车领域的高分子电解质膜燃料电池用膜电极组件具有技术局限性，如随着长时间运行而膜电极组件性能下降以及耐久性明显降低等，膜电极组件主要耐久性降低可能因如下问题而发生：(1)由于负载循环(Load cycling)时发生的电位循环(potential cycling)而导致催化剂层以及催化剂劣化的问题；或者(2)启动(Startup)/关闭(Shutdown)时，由于高阳极电位(high cathode potential)而导致碳载体被腐蚀等。

另外，由于高分子电解质膜燃料电池在运行过程中发生的碳载体的腐蚀和铂催化剂粒子之间的凝集(aggregation)-溶解(dissolution)-奥斯特瓦尔德熟化(ostwaltripening)，催化剂的电化学活性面积急剧减少，并且电化学活性也降低，从而导致所使用的电极催化剂的性能和耐久性全部明显下降。

为了解决这些问题，需要开发耐久性优秀且电化学活性高的载体催化剂。