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制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Carriers, electrodes for fuel cells, membrane electrode assemblies and fuel cells containing such assemblies

The present invention provides a technique for high crystalline graphitized carbon carriers and fuel cell electrodes, membrane electrode assemblies and fuel cells comprising the carriers. The high crystalline graphitized carbon carriers contain carbon particles with high crystalline graphitized layer, and the high crystalline graphitized layer contains functional groups bonded on its surface. An embodiment of the present invention relates to a highly crystalline graphite carbon carrier that can improve durability and electrochemical activity, thereby improving the performance of fuel cells.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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
本专利技术涉及一种载体、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(Fuelcellvehicle，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。
技术介绍
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(MembraneElectrodeAssembly，MEA)与隔板(separator)(或称“双极板(BipolarPlate)”)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(PolymerElectrolyteMembraneFuelCell，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(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)、将液态甲醇用作燃料的直接甲醇燃料电池(DirectMethanolFuelCell，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(Fuelcellvehicle，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(Loadcycling)时发生的电位循环(potentialcycling)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(highcathodepotential)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。在先技术文献专利文献韩国授权公报第1444635号
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的在于，提供耐久性优秀且电化学活性高的高结晶性石墨化碳载体。本专利技术的另一目的在于，提供包括所述载体的燃料电池用电极。本专利技术的又一目的在于，提供包括所述电极的膜电极组件。本专利技术的又一目的在于，提供包括所述膜电极组件的燃料电池。技术方案为了解决所述目的，根据本专利技术的一实施例，可以提供一种高结晶性石墨化碳载体，其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，所述官能团包含由下述化学式1表示的化合物。化学式1：-Ar-(R)n在所述化学式1中，所述Ar为亚烷基或者亚芳基，所述R分别独立地为氢原子，或者包含选自氮、硫以及它们的混合中的任意一种杂原子的取代基，所述n为1至20的整数。所述官能团在所述高结晶性石墨的表面上的表面覆盖率(surfacecoverage)可以为0.5×10-10至1.0×10-8mol/cm2。所述官能团的掺杂浓度(dopinglevel)为0.7至15.0at％，N/C或者S/C比率可以为0.005至0.500。所述化学式1可以包含由下述化学式2表示的芳烃。化学式2：在所述化学式2中，所述R1至R5分别独立地为氢原子，或者包含选自氮、硫以及它们的混合中的任意一种杂原子的取代基。所述R1至R5中的至少一个可以包含选自CN、SH以及NH2中的任意一种取代基。所述高结晶性石墨化碳载体的通过利用514nm波长激光的拉曼光谱分析法来获得的在1335cm-1至1365cm-1下的D带的最大峰面积与在1570cm-1至1600cm-1下的G带的最大峰面积之比可以为0.1至1.2。在所述高结晶性石墨化碳载体的X线衍射光谱中，相对于(002)面的峰出现在布拉格(Bragg)2θ角为26°±0.5°处，相对于所述(002)面的峰的半峰全宽(FWHM)可以为0.1°至0.8°。根据本专利技术的另一实施例，可以提供高结晶性石墨化碳载体的制备方法，其包括以下步骤：对于碳粒子施加分阶段热处理过程，以形成高结晶性石墨化层；以及使所述高结晶性石墨化层与官能团被取代的重氮盐进行偶合反应，以将有机官能团引入到所述高结晶性石墨化层。所述分阶段热处理过程可以包括以下步骤：第一步骤，使碳粒子以3至10℃/分钟的速度升温至900至1000℃，并保持5至30分钟；第二步骤，从所述900至1000℃以2至5℃/分钟的速度升温至1800至1900℃，并保持5至30分钟；以及第三步骤，从所述1800至1900℃以1至3℃/分钟的速度升温至2000至3000℃，并保持10分钟至2小时。所述官能团被取代的重氮盐可以包含由下述化学式3表示的化合物。化学式3：在所述化学式3中，所述R1至R5分别独立地为氢原子，或者包含选自氮、硫以及它们的混合中的任意一种杂原子的取代基，所述X为卤素阴离子。所述官能团被取代的重氮盐可以是通过使由下述化学式4表示的芳族伯胺(PRIMARYAMINE)化合物进行重氮盐化反应而制备的。化学式4：在所述化学式4中，所述R1至R5分别独立地为氢原子，或者包含选自氮、硫以及它们的混合中的任意一种杂原子的取代基。所述芳族伯胺化合物可以是选自4-氨基苯腈(4-aminobenzonitrile)、4-氨基苯并硫醇(4-aminobenzothiol)、对苯二胺(p-phenylenediamine)以及它们的混合物中的任意一种。将所述有机官能团引入到所述高结晶性石墨化层的步骤可以在0至50℃下进行15分钟至24小时。根据本专利技术的又一实施例，可以提供燃料电池用电极，其包括上述的高结晶性石墨化碳载体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高结晶性石墨化碳载体，其特征在于，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，所述官能团包含由下述化学式1表示的化合物，化学式1：‑Ar‑(R)n在所述化学式1中，所述Ar为亚烷基或者亚芳基，所述R分别独立地为氢原子，或者包含选自氮、硫以及它们的混合中的任意一种杂原子的取代基，所述n为1至20的整数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.30 KR 10-2016-01262661.一种高结晶性石墨化碳载体，其特征在于，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，所述官能团包含由下述化学式1表示的化合物，化学式1：-Ar-(R)n在所述化学式1中，所述Ar为亚烷基或者亚芳基，所述R分别独立地为氢原子，或者包含选自氮、硫以及它们的混合中的任意一种杂原子的取代基，所述n为1至20的整数。2.根据权利要求1所述的高结晶性石墨化碳载体，其特征在于，所述官能团在所述高结晶性石墨的表面上的表面覆盖率(surfacecoverage)为0.5×10-10至1.0×10-8mol/cm2。3.根据权利要求1所述的高结晶性石墨化碳载体，其特征在于，所述官能团的掺杂浓度(dopinglevel)为0.7至15.0at％，N/C或者S/C比率为0.005至0.500。4.根据权利要求1所述的高结晶性石墨化碳载体，其特征在于，所述化学式1包含由下述化学式2表示的芳烃，化学式2：在所述化学式2中，所述R1至R5分别独立地为氢原子，或者包含选自氮、硫以及它们的混合中的任意一种杂原子的取代基。5.根据权利要求4所述的高结晶性石墨化碳载体，其特征在于，所述R1至R5中的至少一个包含选自CN、SH以及NH2中的任意一种取代基。6.根据权利要求1所述的高结晶性石墨化碳载体，其特征在于，所述高结晶性石墨化碳载体的通过利用514nm波长激光的拉曼光谱分析法来获得的在1335cm-1至1365cm-1下的D带的最大峰面积与在1570cm-1至1600cm-1下的G带的最大峰面积之比为0.1至1.2。7.根据权利要求1所述的高结晶性石墨化碳载体，其特征在于，在所述高结晶性石墨化碳载体的X线衍射光谱中，相对于(002)面的峰出现在布拉格(Bragg)2θ角为26°±0.5°处，相对于所述(002)面的峰的半峰全宽(FWHM)为0.1°至0.8°。8.一种高结晶性石墨化碳载体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：对于碳粒子施加分阶段热处理过程，以形成高结晶性石墨化层；以及使所述高结晶性石墨化层与官能团被取代的重氮盐进行偶合反...

【专利技术属性】
技术研发人员：金埈永，李辰华，
申请(专利权)人：可隆工业株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国,KR