包括非铂催化剂和石墨烯层叠结构的用于燃料电池的电极和包括该电极的膜-电极组件制造技术

本发明专利技术涉及一种用于燃料电池的电极，其包括非铂催化剂和石墨烯层叠结构，以及一种包括所述电极的膜

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括非铂催化剂和石墨烯层叠结构的用于燃料电池的电极和包括该电极的膜
‑
电极组件


[0001]本公开涉及一种在使用昂贵的铂的同时具有改善的性能和耐久性的燃料电池电极，和包括所述燃料电池电极的膜
‑
电极组件。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种配备有发电系统的电池，所述发电系统将烃类燃料材料如甲醇、乙醇和天然气中包含的如氢和氧的氧化/还原反应的反应中的化学反应能直接转化为电能，并且由于其高能量效率和低污染物排出的生态友好特性，作为可以替代化石能源的下一代清洁能源而受到关注。
[0003]这种燃料电池具有能够通过层叠单元电池而在层叠配置中产生宽范围的输出的优势，并且由于其示出了4至10倍于小型锂电池的能量密度，因此其作为小型且可移动的便携式电源而受到关注。
[0004]在燃料电池中实际发电的电池堆具有几个至几十个单元电池层叠而构成的结构，所述单元电池由膜
‑
电极组件(MEA)和隔板(或也称为双极板)组成，所述膜
‑
电极组件通常具有氧化电极(阳极或燃料电极)和还原电极(阴极或空气电极)分别形成在插入其间的电解质膜的两侧上的结构。
[0005]根据电解质的状态和类型，可以将燃料电池分为碱性电解质燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)等，其中聚合物电解质膜燃料电池由于其诸如低于100℃的低工作温度、快速启动和响应特性以及优异的耐久性的优势而作为便携式车辆和家用电源备受关注。
[0006]聚合物电解质膜燃料电池的典型实例可以包括使用氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)、使用液体甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)等。
[0007]通常，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和膜
‑
电极组件(MEA)由阳极电极、阴极电极和设置在阳极电极和阴极电极之间的聚合物电解质膜(PEM)组成。燃料的氧化反应发生在供应有氢或燃料的阳极电极处，在阳极电极处产生的氢离子通过电解质膜传导至阴极电极，并且氧的还原反应发生在供应有氧的阴极电极处，由此在两个电极之间产生电压差，从而产生电。
[0008]燃料电池的阳极电极包括用于促进通过氧化燃料产生氢离子的反应的催化剂，并且阴极电极包括用于促进氧还原的催化剂。燃料电池催化剂主要由催化金属粒子和用于均匀地分散催化金属粒子的具有高导电率的载体组成。通常，包含铂(Pt)作为活性组分的催化剂用作阳极电极和阴极电极的组分。
[0009]然而，铂基催化剂由于其低储量和高价格占据了燃料电池总生产成本的很大一部分，从而成为限制燃料电池大规模生产和商业化的障碍。特别是铂基催化剂的PEMFC主要将铂用于阳极和阴极，并且这些催化剂占PEMFC电池堆的总成本的40％至50％。因此，迫切需要开发一种能够替代铂的非贵金属基催化剂。

技术实现思路

[0010]技术问题
[0011]本公开的一个目的是提供一种不使用铂基催化剂而具有优异的效率的燃料电池电极。
[0012]本公开的另一目的是提供一种制造上述燃料电池电极的方法。
[0013]本公开的又一目的是提供一种膜
‑
电极组件，该膜
‑
电极组件通过包括所述燃料电池电极而具有优异的效率而无需使用铂。
[0014]本公开的再一目的是提供一种燃料电池，其中包括不包含铂的所述膜
‑
电极组件。
[0015]技术方案
[0016]为了实现上述目的，根据本公开的一个方面的燃料电池电极包括：催化剂层，所述催化剂层包含非铂催化剂络合物和导电聚合物；和由石墨烯和氧化石墨烯中的一种或多种制备而成的石墨烯层，其中，所述催化剂层和所述石墨烯层是交替地层叠的。在这种情况下，所述非铂催化剂络合物包含碳载体，和在所述碳载体上形成的非铂过渡金属和氮，具体地，所述非铂催化剂络合物可以具有通过所述非铂过渡金属与氮之间的配位键形成并且存在于其中的活性位点。
[0017]所述催化剂层可以具有其中所述导电聚合物涂布在所述非铂催化剂络合物的表面上的形式。
[0018]所述非铂催化剂络合物可以通过将所述碳载体与包含非铂过渡金属(M)和氮(N)的M
‑
N前体以1∶1至1∶5的质量比混合而制备。
[0019]所述非铂催化剂络合物和所述导电聚合物可以以1∶20至5∶1的质量比被包含在所述催化剂层中。
[0020]所述非铂催化剂络合物可以由M
‑
N前体形成，并且所述M
‑
N前体可以包括包含金属
‑
氮配位的含氮大环化合物，并且包含金属
‑
氮配位的含氮大环化合物可以包括，例如，卟啉、酞菁、咔咯、1，4，8，11
‑
四氮杂环十四烷、四氮杂轮烯及其衍生物中的一种或多种。另外，所述M
‑
N前体可以包含非铂过渡金属，并且可以包含Fe、Co和Mn中的一种或多种。
[0021]所述碳载体可以包括炭黑、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米纤维和碳纳米管中的一种或多种。
[0022]所述导电聚合物可以包括聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩和全氟磺酸中的一种或多种。
[0023]所述催化剂层可以具有1nm至200nm的厚度。
[0024]所述催化剂层和所述石墨烯层可以具有3至200层的多层结构。
[0025]根据本公开的另一方面的用于燃料电池的膜
‑
电极组件包括燃料电池电极和聚合物电解质膜。
[0026]此时，根据本公开的一个方面的燃料电池电极可以应用于阴极电极。
[0027]根据本公开的另一方面的燃料电池包括用于燃料电池的膜
‑
电极组件。
[0028]有益效果
[0029]本公开的燃料电池电极是其中层叠了催化剂层和石墨烯层的结构，并且所述催化剂层可以通过相对便宜的过渡金属而不使用铂作为催化剂以实现优异的电极效率。
[0030]此外，在所述催化剂层中一起使用的导电聚合物可以通过限制过渡金属粒子的尺
寸以改善非铂催化剂的效率。
[0031]另外，所述石墨烯层与所述催化剂层交替地层叠，通过由此形成的多层结构可以将活性位点最大化地暴露在反应表面上，并且所述石墨烯层不仅可以提高电极的导电性，而且还可以通过在催化剂粒子之间形成空隙，在燃料电池驱动过程中提供顺畅的材料传输通道，以改善燃料电池的性能和耐久性。
附图说明
[0032]图1是简要示出根据本公开的一个实施方案的电极的层叠结构的示意图。
[0033]图2是比较包括根据本公开的实施例、参照例和比较例的膜
‑
电极组件的燃料电池的性能的图。
[0034]图3是示出燃料电池的整体配置的示意图。
具体实施方式
[0035]在下文中，将参照附图详细描述本公开的实施方案，以便本公开所属领域的技术人员能够容易地实现本公开。然而，本公开可以以各种不同的形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种燃料电池电极，包括：催化剂层，所述催化剂层包含非铂催化剂络合物和导电聚合物；和石墨烯层，所述石墨烯层由石墨烯和氧化石墨烯中的一种或多种制备而成，其中，所述催化剂层和所述石墨烯层是交替地层叠的，并且所述非铂催化剂络合物包含碳载体，以及在所述碳载体上形成的非铂过渡金属和氮。2.根据权利要求1所述的燃料电池电极，其中，所述非铂催化剂络合物具有活性位点，所述活性位点通过所述非铂过渡金属与氮之间的配位键形成并且存在于其中。3.根据权利要求1所述的燃料电池电极，其中，所述导电聚合物涂布在所述非铂催化剂络合物的表面上。4.根据权利要求1所述的燃料电池电极，其中，在已层叠的所述催化剂层与所述石墨烯层之间形成空间。5.根据权利要求4所述的燃料电池电极，其中，所述空间的至少一部分填充有离聚物。6.根据权利要求1所述的燃料电池电极，其中，所述非铂催化剂络合物是通过将所述碳载体与包含非铂过渡金属M和氮N的M
‑
N前体以1∶1至1∶5的质量比混合而制备的。7.根据权利要求1所述的燃料电池电极，其中，所述非铂催化剂络合物和所述导电聚合物以1∶20至5∶1的质量比被包含在所述催化剂层中。8.根据权利要求1所述的燃料电池电极，其中，所述非铂催化剂络合物是由包含卟啉、酞菁、咔咯、1，4，8，11
‑
四氮杂环十四烷、四氮杂轮烯及其衍生物中的一种或多种的前体形成的。9.根据权利要求1所述的燃料电池电极，其中，所述非铂过渡金属包括Fe、Co和Mn中的一种或多种。10.根据权利要求1所述的燃料电池电极，其中，所述碳载体包括炭黑、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米纤维和碳纳米管中的一种或多种。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：金亨洙，金埈永，孔络园，金正镐，李主圣，朴燦美，
申请(专利权)人：可隆工业株式会社，
类型：发明
国别省市：