[发明专利]燃料电池催化剂、包含其的燃料电池电极及膜电极组件

说明书

本公开涉及一种燃料电池催化剂、包含其的燃料电池电极及膜电极组件。在一个实施方式中，燃料电池催化剂包括：载体，其包括由下式1表示的氮氧化钛；和负载在载体上的活性物质：[式1]TiO_1‑yN_y其中，0.05y0.9。

技术领域

本公开的示例性实施方式涉及一种燃料电池催化剂、包括该燃料电池催化剂的燃料电池电极以及包括该燃料电池催化剂的膜电极组件。更具体地，一种具有优异活性和高电位耐久性的燃料电池催化剂，一种包括该燃料电池催化剂的燃料电池电极，和一种包括该燃料电池催化剂的膜电极组件。

背景技术

燃料电池是一种通过将燃料氢氧化将化学能转化为电能来发电的装置。燃料电池可以使用利用可再生能源产生的氢气，产生水作为反应产物，并且由于不产生空气污染物或温室气体，因此作为一种环保能源而受到关注。根据所用电解质和燃料的种类，将燃料电池分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。

其中，质子交换膜燃料电池具有较低的工作温度、较高的能量密度、快速的启动特性和优异的响应特性，因此，已经积极地进行了将其用作汽车、各种电子设备、运输和发电的能源的技术的研究。

在燃料电池中，氢被提供给阳极，并且氧被提供给阴极。阳极的催化剂将氢氧化成质子，质子穿过质子传导膜并被阴极的催化剂由氧还原而产生电力。

图1示意性地示出了在常规燃料电池的阴极中发生的催化氧化过程。参考图1，燃料电池1000包括膜电极组件(MEA)100，膜电极组件(MEA)100包括阴极10、阳极20以及介于阴极10和阳极20之间的电解质膜30，其中阳极和阴极各自包括催化剂，该催化剂包括活性物质(active material，活性材料)和负载(support，支撑)该活性物质的载体(support，支撑体)。此外，可以在膜电极组件100的两侧上分别依次形成气体扩散层(GDL)40和42以及隔膜(separator，隔板)50和52。

参见图1，提供给燃料电池阳极(氢电极)的氢被分离成氢离子和电子(H₂→2H⁺+2e^-,E₀＝0.0V)，并且空气被供应到燃料电池阴极(空气电极)并被分离成氧离子和电子(1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O,E₀＝1.23V)。通过分离的电子的运动产生电，并且氢和氧彼此接触以产生热量，同时产生水(H₂O)(整体反应＝1/2O₂+H⁺→H₂O,E₀＝1.23V)。同时，使用催化剂来提高燃料电池的反应效率。作为常规燃料电池阳极(氢电极)催化剂，使用具有优异氧还原反应特性的铂(Pt)，并且作为用于负载催化剂的载体，使用具有大比表面积(500m²/g或更大)和优良导电性(小于25S/cm)的碳(C)载体。

同时，对于用于车辆中的燃料电池，在车辆电源的接通/断开期间，阴极的氧化电势升高1.2V或更多。此时，如图1所示，发生阴极的碳载体11发生氧化的现象(C+2H₂O→CO₂+4H⁺+4e^-)并且发生活性物质12的脱嵌(deintercalation)和附聚，从而降低了催化剂的性能。此外，随着碳载体被氧化，出现的问题是，每个催化剂层和膜电极组件的厚度减小，并且电极的性能劣化。