[发明专利]触媒层材料及包含其的膜电极组

说明书

本发明公开一种触媒层材料及包含其的膜电极组。触媒层材料是用于燃料电池，触媒层材料包括触媒担体及分布在触媒担体上的触媒。触媒担体包括Ti_WM_XN_YO_Z，其中Ti表示钛；M是选自于由IB族金属、IIA族金属、IIB族金属、VB族金属、VIB族金属、VIIB族金属及VIIIB族金属所组成的群组；N是表示选自于由硼、碳、氮、磷及硫所组成的非金属群组；O表示氧；0<W≦1；0<X≦0.5；0<Y≦0.2；1.5≦Z≦2.0。通过将掺杂有金属阳离子及阴离子的非碳质触媒担体应用于膜电极组，可以显着提升燃料电池的稳定性及效能表现。

技术领域

本发明是有关于一种电化学的领域，特别是有关于一种触媒层材料及包含其的膜电极组(Membrane Electrode Assembly,MEA)。

背景技术

能源的开发与应用一直是人类生活不可或缺的课题，但传统的能源的开发与应用对于环境的破坏与日俱增。利用燃料电池(Fuel cell)技术来产生能源，具有高效率、低噪音、无污染的优点，是符合时代趋势的能源技术。

燃料电池基本上是一种利用水电解的逆反应而将化学能转换成电能的发电装置。燃料电池可区分为多种类型，常见的为质子交换膜型燃料电池(Proton ExchangeMembrane Fuel Cell,PEMFC)以及直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)。燃料电池的电池堆模组主要包括有膜电极组(Membrane Electrode Assembly,MEA)。膜电极组是由质子交换膜(Proton exchange membrane)、阳极触媒层、阴极触媒层、阳极气体扩散层(Gas Diffusion Layer,GDL)以及阴极气体扩散层所构成。上述的阳极触媒层与阴极触媒层是分别配置于质子交换膜的两侧，而阳极气体扩散层与阴极气体扩散层是分别设置在阳极触媒层与阴极触媒层的相对外侧。

在燃料电池中，阳极触媒层或阴极触媒层的触媒担体的角色常被忽略。一般而言，目前技术普遍以各种型态的碳材作为触媒(催化剂)担体。然而，实际上，即使在一般燃料电池的应用中，往往容易因为重复的开/停动作或是在高电位操作下，而致使碳质触媒担体在使用上会产生电化学腐蚀等问题，并影响燃料电池的性能与稳定性。

透过掺杂来改变二氧化钛(TiO₂)特性，是常见的手法。例如掺杂不等量的硼、碳、氮等阴离子可以改缩短二氧化钛的能隙(bandgap)，提升其光催化降解活性或是改善其对于可见光的吸收能力。如2013年Liang等人在应用表面科学(Applied Surface Science)杂志中所著“A direct synthesis of B-doped TiO₂and its photocatalytic performanceon degradation of RhB”；2010年Yang等人在材料化学杂志(Journal of MaterialsChemistry)所著,“Preparation of highly visible-light active N-dopedTiO₂photocatalyst”；2007年Wu等人在材料化学(Chemistry of Materials)杂志所著“Synthesis and Characterization of Carbon-Doped TiO₂Nanostructures withEnhanced Visible Light Response”(Chemistry of Materials,2007,19(18),4530-4537)。