燃料电池用催化剂、电极、膜-电极组件和燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】用于燃料电池的催化剂包括活性金属催化剂和负载所述活性金属催化剂的复合载体。所述复合载体包括球状载体和纤维状载体，其中基于所述复合载体的总量，以约5重量%～约40重量%的量包括所述纤维状载体。另外，还公开了使用其的用于燃料电池的电极、包括所述电极的用于燃料电池的膜-电极组件和包括所述膜-电极组件的燃料电池系统。
【专利说明】燃料电池用催化剂、电极、膜-电极组件和燃料电池系统
【技术领域】
[0001]本公开内容涉及用于燃料电池的催化剂、用于燃料电池的电极、用于燃料电池的膜-电极组件、和使用其的燃料电池系统。
【背景技术】
[0002]燃料电池是用于通过氧化剂与氢气或包含在基于烃的材料例如甲醇、乙醇或天然气中的氢的电化学氧化还原反应产生电能的发电系统。
[0003]这样的燃料电池是可代替化石燃料的清洁能源。其包括由单元电池构成的堆并具有产生多种范围的功率的优点。由于其具有为小型锂电池的四到十倍高的能量密度，因此其作为小型便携式电源是突出的。
[0004]燃料电池的典型实例包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接氧化燃料电池(DOFC)。使用甲醇作为燃料的直接氧化燃料电池称为直接甲醇燃料电池(DMFC)。
[0005]直接氧化燃料电池具有比聚合物电解质膜燃料电池低的能量密度，但具有燃料容易处理、由于其低的运行温度而在室温下运行、和不需要另外的燃料重整处理器的优点。另一方面，聚合物电解质膜燃料电池具有高的能量密度和功率输出的优点。
[0006]在上述燃料电池系统中，实质上产生电的堆包括几个到几十个彼此相邻堆叠的单元电池，且各单元电池由膜-电极组件(MEA)和隔板(也称作双极板)形成。所述膜-电极组件由被聚合物电解质膜隔开的阳极(也称作“燃料电极”或“氧化电极”)和阴极(也称作“空气电极”或“还原电极”)构成。
[0007]在上述燃料电池系统中，燃料供应到阳极并吸附在阳极的催化剂上，然后氧化以产生质子和电子。电子经由外部电路转移到阴极，和质子通过聚合物电解质膜转移到阴极。另外，氧化剂供应到阴极，其与质子和电子在阴极的催化剂上反应，由此产生电以及水。
[0008]然而，燃料电池由于催化剂的洗脱和再沉积或者负载催化剂的载体的腐蚀而具有性能恶化问题。
【发明内容】
[0009]本发明的实施方式的方面涉及用于燃料电池的催化剂，其能够抑制由于载体的腐蚀导致的催化剂层的结构崩塌并改善电池性能。
[0010]实施方式的方面涉及使用所述催化剂的用于燃料电池的电极。
[0011]本发明的实施方式的方面涉及包括所述电极的用于燃料电池的膜-电极组件。
[0012]本发明的实施方式的方面涉及包括所述膜-电极组件的燃料电池系统。
[0013]根据本发明的一个实施方式，提供用于燃料电池的催化剂，其包括:活性金属催化齐IJ;和负载所述活性金属催化剂并包括球状载体和纤维状载体的复合载体，其中基于所述复合载体的总量，以约5重量％?约40重量％的量包括所述纤维状载体。
[0014]基于所述复合载体的总量，可以约5重量％?约30重量％的量包括所述纤维状载体。[0015]所述纤维状载体相对于所述球状载体可具有范围约2?约10的直径比。
[0016]所述球状载体可包括选自石墨和炭黑的至少一种。所述炭黑选自超导电乙炔炭黑、科琴黑、乙炔黑、槽黑、炉黑、灯黑、热解炭黑、及其组合。
[0017]所述纤维状载体可包括选自碳纳米纤维、石墨化的碳纳米纤维、碳纳米管、碳纳米角、和碳纳米线的至少一种。
[0018]基于所述催化剂的总量，可以约20重量％?约80重量％的量包括所述复合载体。
[0019]根据本发明的另一实施方式，提供用于燃料电池的电极，其包括:电极基底；和设置在所述电极基底上的包括所述催化剂的催化剂层。
[0020]所述催化剂层可进一步包括离聚物，和基于所述催化剂层的总量，可以约15重量％?约50重量％的量包括所述离聚物。
[0021]根据本发明的再一实施方式，提供用于燃料电池的膜-电极组件，其包括:阴极；面对所述阴极的阳极；和介于所述阴极和所述阳极之间的聚合物电解质膜。所述阴极和所述阳极分别包括电极基底和设置在所述电极基底上的所述催化剂层。
[0022]根据本发明的又一实施方式，提供燃料电池系统，其包括:用于供应包括燃料和水的混合燃料的燃料供应器；用于重整所述混合燃料并产生包括氢气的重整气体的重整部件；堆，其包括所述膜-电极组件和设置在所述膜-电极组件的任一侧(两侧)上的隔板，并且通过氧化剂与由所述重整部件供应的所述重整气体的电化学反应产生电能；和用于将所述氧化剂供应到所述重整部件和所述堆的氧化剂供应器。
[0023]在【具体实施方式】中描述本发明的其它实施方式。
[0024]本发明可通过尽管有载体的腐蚀还抑制用于燃料电池的催化剂层的结构崩塌而实现具有改善的性能的燃料电池。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为显示在载体的腐蚀之前和之后的可供比较的催化剂层的结构变化的示意图；
[0026]图2为显示在载体的腐蚀之前和之后的根据本发明的一个实施方式的催化剂层的结构变化的示意图；
[0027]图3为显示根据一个实施方式的用于燃料电池的膜-电极组件(MEA)的示意图；
[0028]图4为显示根据本发明的一个实施方式的燃料电池系统的结构的示意图；
[0029]图5为根据一个实施方式的燃料电池系统的堆的分解透视图；
[0030]图6A和6B为分别显示在载体的腐蚀之前和之后的根据实施例2的用于燃料电池的催化剂层的表面的扫描电子显微镜照片；
[0031]图7A和7B为分别显示在载体的腐蚀之前和之后的根据对比例I的用于燃料电池的催化剂层的表面的扫描电子显微镜照片；
[0032]图8为显示随着重复循环的根据对比例I的用于燃料电池的催化剂层的电流密度的图；和
[0033]图9为显示随着重复循环的根据实施例2的用于燃料电池的催化剂层的电流密度的图。【具体实施方式】
[0034]下文中将更充分地描述实施方式，其中示出示例性实施方式。然而，本公开内容可以许多不同的形式体现且不解释为限于本文中所阐明的示例性实施方式。
[0035]将理解，当一个元件例如层、膜、区域或基底被称为“在”另外的元件“上”时，其可直接在所述另外的元件上或者还可存在中间元件。
[0036]根据一个实施方式，用于燃料电池的催化剂包括活性金属催化剂和负载所述活性金属催化剂的复合载体。
[0037]所述复合载体包括球状载体和纤维状载体。
[0038]催化剂层包括设置在电极基底上的所述催化剂。用于燃料电池的催化剂层可具有由于载体的腐蚀导致的结构崩塌。具体地，根据下列反应方案I通过在高电压条件下碳和湿气的电化学反应，载体被腐蚀并产生二氧化碳，这使活性金属催化剂从载体分离，且因此，可不仅导致催化剂的损失，而且导致催化剂层的结构崩塌。
[0039][反应方案I]
[0040]C+2H20 — C02+4H.+4e
[0041]催化剂层的结构崩塌可不仅降低活性催化剂的量，而且具有对催化剂层的压缩效应，且因此，使空气和燃料的扩散以及水的排放恶化，且结果，使功率输出性能降低。
[0042]根据一个实施方式，通过使用通过将球状载体和纤维状载体混合而制备的载体以改善对腐蚀的耐久性来抑制催化剂层的结构崩塌，因为所述纤维状载体在结构上支撑所述催化剂层，尽管有所述球状载体的腐蚀。另外，从所述球状载体分离的催化剂可再附着到所述纤维状载体，和可避免或减少催化剂的损失。
[0043]所述球状载体可具有约20nm?约IOOnm的直径，和所述纤维状载体可具有约40nm?IOOOnm的直径。
[0044]根据一个实施方式，所述纤维状载体可具有大于或等于所述球状载体的直径的两倍大的直径。根据另一实施方式，所述纤维状载体相对于所述球状载体可具有约2?约10的直径比，和根据再一实施方式，所述纤维状载体相对于所述球状载体可具有约2?约5的直径比。在一个实施方式中，当所述纤维状载体和所述球状载体具有在所述范围内的直径比时，不仅所述纤维状载体起到用于保持所述催化剂层的孔结构的支撑物的作用，尽管有所述球状载体的腐蚀，而且洗脱的催化剂还容易地再沉积于所述支撑物上。
[0045]所述复合载体可包括约60?约95重量％的所述球状载体和约5?约40重量％的所述纤维状载体，和在一个实施方式中，约70?约95重量％的所述球状载体和约5?约30重量％的所述纤维状载体。在一个实施方式中，当在所述范围内包括所述纤维状载体时，所述纤维状载体作为结构支撑物充分地起作用并保持催化剂的表面积。在一个实施方式中，其还改善功率输出性能以及使所述催化剂的损失最小化。且在高电压条件下的循环之后，所述催化剂层的厚度和孔隙率可没有大的降低。
[0046]所述球状载体可包括选自石墨和炭黑(例如超导电乙炔炭黑、科琴黑、乙炔黑、槽黑、炉黑、灯黑、热解炭黑、或其组合)的至少一种。
[0047]所述纤维状载体可包括选自碳纳米纤维、石墨化的碳纳米纤维、碳纳米管、碳纳米角和碳纳米线的至少一种。
[0048]可以约20重量％?约80重量％的量包括所述复合载体。在一个实施方式中，基于所述催化剂的总量，例如，所述催化剂与所述复合载体之和，可以约30重量％?约60重量％的量包括所述复合载体。在一个实施方式中，当在所述范围内包括所述复合载体时，所述载体具有优异的对腐蚀的耐久性并抑制由于腐蚀导致的所述催化剂层的结构崩塌。
[0049]所述催化剂可为可用于燃料电池反应的任何催化剂。在一个实施方式中，所述催化剂可为金属催化剂，和在另一实施方式中，所述催化剂可为基于钼的催化剂。
[0050]所述基于钼的催化剂可包括钼、钌、锇、钼-钌合金、钼-锇合金、钼-钯合金和/或钼-M 合金(M 为选自 Ga、T1、V、Cr、Mn、Fe、Co、N1、Cu、Zn、Sn、Mo、W、Rh 和 Ru 的至少一种元素)。
[0051 ] 在所述燃料电池中，阳极和阴极可包括相同的材料。然而，在直接氧化燃料电池中阳极催化剂可包括钼-钌合金作为活性金属以防止由于在阳极反应期间产生的一氧化碳(CO)导致的催化剂中毒。
[0052]示例性的基于钼的催化剂可包括选自Pt、Pt/Ru、Pt/W、Pt/N1、Pt/Sn、Pt/Mo、Pt/Pd、Pt/Fe、Pt/Cr、Pt/Co、Pt/Ru/W、Pt/Ru/Mo、Pt/Ru/V、Pt/Fe/Co、Pt/Ru/Rh/N1、和 Pt/Ru/Sn/ff的至少一种。
[0053]如上所述，可抑制根据本发明的一个实施方式的催化剂层的结构崩塌，尽管有所述载体的腐蚀。为了更好的理解，图1和2示意性地显示催化剂层的结构崩塌。
[0054]图1为显示在载体的腐蚀之前和之后的可供比较的催化剂层的结构变化的示意图，而图2为显示在载体的腐蚀之前和之后的根据本发明的一个实施方式的催化剂层的结构变化的示意图。
[0055]参照图1和2，可供比较的催化剂层具有由于载体的腐蚀导致的显著的结构变化，而本发明的一个实施方式的催化剂层具有不大的结构变化，尽管有载体的腐蚀。原因是纤维状载体在结构上作为支撑物起作用并抑制催化剂层的结构崩塌。
[0056]根据另一实施方式，提供包括上述催化剂层的用于燃料电池的电极。
[0057]所述用于燃料电池的电极包括电极基底和设置在所述电极基底上的催化剂层。
[0058]所述催化剂层与以上描述的相同。
[0059]所述催化剂层还可包括离聚物以改善所述催化剂层的粘附和质子的转移性质。
[0060]所述离聚物可为具有质子导电性的聚合物树脂。在一个实施方式中，所述离聚物可为在其侧链处具有选自磺酸基团、羧酸基团、磷酸基团、膦酸基团及其衍生物的阳离子交换基团的聚合物树脂。
[0061]在另一实施方式，所述离聚物可为选自如下的至少一种聚合物树脂:基于氟的聚合物、基于苯并咪唑的聚合物、基于聚酰亚胺的聚合物、基于聚醚酰亚胺的聚合物、基于聚苯硫醚的聚合物、基于聚砜的聚合物、基于聚醚砜的聚合物、基于聚醚酮的聚合物、基于聚醚-醚酮的聚合物、和基于聚苯基喹喔啉的聚合物。在再一实施方式中，所述离聚物可为选自如下的至少一种聚合物树脂:聚(全氟磺酸)、聚(全氟羧酸)、四氟乙烯和氟乙烯基醚的含磺酸基团的共聚物、聚醚酮硫化物、聚芳基酮、聚(2，2'-间亚苯基)-5,5' -二苯并咪唑、和聚(2，5-苯并咪唑)。
[0062]所述具有质子导电性的聚合物树脂可包括在侧链的末端处的阳离子交换基团中代替氢(H)的Na、K、L1、Cs、或四丁基铵。当在所述聚合物树脂的侧链的末端处的离子交换基团中，用Na代替氢⑶时，使用NaOH。当用四丁基铵代替氢⑶时，使用氢氧化四丁基铵。也可用K、Li或Cs代替氢(H)并提供合适的化合物。代替氢(H)的方法是该相关领域中已知的，且因此不进一步详细描述。
[0063]所述离聚物可单独或者以组合使用。所述离聚物可与非导电化合物一起使用以改善所述催化剂层对所述聚合物电解质膜的粘附。所述非导电化合物可以根据其目的控制的合适的量使用。
[0064]所述非导电化合物包括选自如下的至少一种:聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、乙烯/四氟乙烯共聚物(ETFE)、乙烯-二氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(VdF-HFP)、十二烷基苯磺酸和山梨糖醇。
[0065]基于所述催化剂层的总量，可以在一个实施方式中约15重量％?约50重量％、在另一实施方式中约20重量％?约40重量％的量包括所述离聚物。在一个实施方式中，当在所述范围内包括所述离聚物时，所述催化剂层的粘附和质子的传输改善。
[0066]所述电极基底起到以下作用:支撑电极以及使燃料和氧化剂扩散到所述催化剂层中，使得所述燃料和所述氧化剂可容易地接近所述催化剂层。
[0067]所述电极基底可为导电基底例如碳纸、碳布、碳毡、或金属布(由金属纤维制成的多孔膜或设置在由聚合物纤维制成的布的表面上的金属膜)。所述电极基底不限于此。
[0068]所述电极基底可经历使用氟化树脂的斥水处理以防止由于在燃料电池的运行期间产生的水导致的反应物的扩散效率的恶化。
[0069]所述氟化树脂可包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚六氟丙烯、聚全氟烷基乙烯基醚、聚全氟磺酰氟烷氧基乙烯基醚、氟化的乙烯-丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、或其共聚物。
[0070]所述用于燃料电池的电极可进一步包括微孔层以增强反应物在所述电极基底中以及在所述电极基底和所述催化剂层中的扩散效果。
[0071]所述微孔层通常包括具有特定粒径的导电粉末，例如碳粉末、炭黑、乙炔黑、活性炭、碳纤维、富勒烯、碳纳米管、碳纳米线、碳纳米角、或碳纳米环。
[0072]根据另一实施方式，提供包括上述电极的用于燃料电池的膜-电极组件。
[0073]参照图3描述所述用于燃料电池的膜-电极组件。
[0074]图3为显示根据一个实施方式的膜-电极组件(MEA)的示意图。
[0075]参照图3，膜-电极组件20包括聚合物电解质膜25、阴极21和阳极22。这里，聚合物电解质膜25在阴极21和阳极22之间。
[0076]阴极21和阳极22的至少一个为上述用于燃料电池的电极。
[0077]聚合物电解质膜25可为具有约10 μ m?约200 μ m的厚度的固体聚合物电解质并且充当用于将从所述阳极的催化剂层产生的质子转移到所述阴极的催化剂层的离子交换器。
[0078]聚合物电解质膜25可为由用于燃料电池的聚合物电解质膜的任何具有质子导电性的聚合物树脂制成的任何聚合物电解质膜。所述聚合物树脂可为在其侧链处具有选自磺酸基团、羧酸基团、磷酸基团、膦酸基团及其衍生物的至少一种阳离子交换基团的聚合物树脂。
[0079]所述聚合物树脂的实例可包括选自如下的至少一种:基于氟的聚合物、基于苯并咪唑的聚合物、基于聚酰亚胺的聚合物、基于聚醚酰亚胺的聚合物、基于聚苯硫醚的聚合物、基于聚砜的聚合物、基于聚醚砜的聚合物、基于聚醚酮的聚合物、基于聚醚-醚酮的聚合物、和基于聚苯基喹喔啉的聚合物；和所述聚合物树脂的更具体实例可包括聚(全氟磺酸)(作为NAFION?可商购得到，且NAFION?是特拉华州威尔明顿的E.1.Du Pont DeNemours and Company的注册商标)、聚(全氟羧酸)、四氟乙烯和氟乙烯基醚的含磺酸基团的共聚物、聚醚酮硫化物、聚芳基酮、聚(2，2'-间亚苯基)-5，5' -二苯并咪唑、和聚(2，5-苯并咪唑)。
[0080]根据另一实施方式，提供包括上述膜-电极组件的燃料电池系统。
[0081]参照图4和5描述所述燃料电池系统。图4和5显示所述燃料电池系统的一个实例，但本发明不限于此。
[0082]图4为显示根据本发明的一个实施方式的燃料电池系统的结构的示意图，和图5为描述根据本发明的一个实施方式的燃料电池系统的堆的分解透视图。
[0083]参照图4和5，根据一个实施方式的燃料电池系统100包括用于供应燃料和水的混合燃料的燃料供应器110，用于重整所述混合燃料并产生包括氢气的重整气体的重整部件120 ;用于通过由所述重整部件供应的所述重整气体和氧化剂的电化学反应产生电能的堆130 (包括所述膜-电极组件和设置在所述膜-电极组件的任一侧上的隔板)；和用于将氧化剂供应到重整部件120和堆130的氧化剂供应器140。
[0084]堆130包括多个单元电池131，其引起由重整部件120供应的包括氢气的重整气体与由氧化剂供应器140供应的氧化剂之间的氧化/还原反应以产生电能。
[0085]各单元电池131用作用于产生电的单元并包括膜-电极组件132和隔板133 (也称作双极板)，膜-电极组件132将所述包括氢气的重整气体和所述氧化剂中的氧氧化和还原，隔板133将所述重整气体和所述氧化剂供应到膜-电极组件132。隔板133布置在膜-电极组件132的两侧上。这里，分别位于所述堆的最外侧的隔板称作端板133a。
[0086]此外，所述隔板的端板133a包括用于注入由重整部件120供应的重整气体的具有管道形状的第一供应管133al和用于注入所述氧化剂的具有管道形状的第二供应管133a2。另一端板133a包括用于将在多个单元电池131中最终未反应的剩余的重整气体排放到外部的第一排放管133a3和用于将在多个单元电池131中最终未反应的剩余的氧化剂排放到外部的第二排放管133a4。
[0087]下列实施例更详细地说明本发明。然而，理解本发明不受这些实施例限制。
[0088](膜-电极组件的制造)
[0089]实施例1
[0090]如下制备催化剂层组合物:制备包括95重量％的作为球状载体的具有20nm直径的科琴黑和5重量％的作为纤维状载体的具有IOOnm直径的石墨化的碳纳米纤维的复合载体，将32重量％的钼催化剂负载在33重量％的所述复合载体上，并向其添加35重量％的作为离聚物的NAFION? (DuPont Chemicals C0., Ltd.) ?
[0091]将所述催化剂层组合物涂覆在FEP (氟化的乙烯丙烯共聚物)膜上并在烘箱中在90°C下充分干燥5小时以形成催化剂层。使用所述催化剂层作为阴极中的阴极催化剂层和阳极中的阳极催化剂层。
[0092] 将所述阴极和阳极催化剂层转移在基于氟的聚合物膜上并从其除去FEP膜，制造膜-催化剂层组件。将所述膜-催化剂层组件与35BC扩散层(SGL Group) 一起使用，制造膜-电极组件。
[0093]实施例2
[0094]根据与实施例1相同的方法制造用于燃料电池的膜-电极组件，除了使用包括85重量％的科琴黑和15重量％的石墨化的碳纳米纤维的复合载体。
[0095]实施例3
[0096]根据与实施例1相同的方法制造用于燃料电池的膜-电极组件，除了使用包括70重量％的科琴黑和30重量％的石墨化的碳纳米纤维的复合载体。
[0097]实施例4
[0098]根据与实施例1相同的方法制造用于燃料电池的膜-电极组件，除了使用包括95重量％的具有20nm直径的科琴黑和5重量％的具有50nm直径的石墨化的碳纳米纤维的复合载体。
[0099]实施例5
[0100]根据与实施例1相同的方法制造用于燃料电池的膜-电极组件，除了使用包括95重量％的具有20nm直径的科琴黑和5重量％的具有200nm直径的石墨化的碳纳米纤维的复合载体。
[0101]对比例I
[0102]根据与实施例1相同的方法制造用于燃料电池的膜-电极组件，除了通过如下制备催化剂层组合物:将32重量％的钼催化剂负载在33重量％的具有20nm直径的科琴黑上，并向其添加35重量％的作为离聚物的NAFION? (DuPont Chemistry C0.，Ltd.)。
[0103]对比例2
[0104]根据与实施例1相同的方法制造用于燃料电池的膜-电极组件，除了使用包括50重量％的科琴黑和50重量％的石墨化的碳纳米纤维的复合载体。
[0105]对比例3
[0106]根据与实施例1相同的方法制造用于燃料电池的膜-电极组件，除了使用包括98重量％的科琴黑和2重量％的石墨化的碳纳米纤维的复合载体。
[0107]对比例4
[0108]根据与实施例1相同的方法制造用于燃料电池的膜-电极组件，除了使用包括55重量％的科琴黑和45重量％的石墨化的碳纳米纤维的复合载体。
[0109]评价1:催化剂层的结构变化
[0110]通过如下对根据实施例2和对比例I的膜-电极组件进行循环:在向各阴极提供具有100%的相对湿度的O2并向各阳极提供具有100%的相对湿度的H2之后，在80°C下重复地施加0.6V到1.0V的电压。
[0111]在所述循环之前即在载体的腐蚀之前、以及在所述循环之后即在载体的腐蚀之后，使用扫描电子显微镜(SEM)检查根据实施例2和对比例I的催化剂层的横截面。结果提供在图6A、6B、7A和7B中。
[0112]图6A和6B分别为在腐蚀之前和之后的根据实施例2的用于燃料电池表面的催化剂层的表面的扫描电子显微镜照片。图7A和7B分别为在腐蚀之前和之后的根据对比例I的用于燃料电池表面的催化剂层的表面的扫描电子显微镜照片。
[0113]参照图6A?7B，根据实施例2的用于燃料电池的催化剂层的结构变化不大，尽管有载体的腐蚀，而根据对比例I的用于燃料电池的催化剂层的结构显著变化。因此，抑制根据一个实施方式的用于燃料电池的催化剂层的结构崩塌。
[0114]评价2:催化剂层的耐久性
[0115]通过如下对根据实施例2和对比例I的膜-电极组件进行循环:在向各阴极提供具有100%的相对湿度的O2并向各阳极提供具有100%的相对湿度的H2之后，在80°C下通过使电压在0.6V到1.0V的范围内线性地变化而重复地施加在所述范围内的电压。
[0116]结果提供在图8和9中。
[0117]图8为显示随着重复循环的根据对比例I的用于燃料电池的催化剂层的电流密度的图，和图9为显示随着重复循环的根据实施例2的用于燃料电池的催化剂层的电流密度的图。
[0118]参照图8和9，实施例2的催化剂层在0.8A/cm2下在14000次循环时具有30mV的电压降，而对比例I的催化剂层在仅5500次循环时具有相同的电压降。因此，根据一个实施方式的用于燃料电池的催化剂层具有对于载体的腐蚀的优异的耐久性。
[0119]评价3:催化剂层的厚度和孔隙率变化
[0120]通过如下对根据实施例1?5和对比例I?4的膜-电极组件进行循环:在向各阴极提供具有100%的相对湿度的O2并向各阳极提供具有100%的相对湿度的H2后，重复地施加0.6V到1.0V的电压。
[0121]在所述循环之前即在载体的腐蚀之前、以及在所述循环之后即在载体的腐蚀之后，测量实施例1?5和对比例I?4的催化剂层的厚度和孔隙率变化。结果提供在下表I中。
[0122]使用膜-电极组件的横截面的SEM照片测量催化剂层的厚度，并使用孔隙率计测量催化剂层的孔隙率。
[0123]表I
[0124]
_ 催化剂层的厚度(微米)催化剂层的孔隙率(体积％)
_在循环操作之前在循环操作之后在循环操作之前在循环操作之后
实施例1 I 7.06.7 I 53 I 50
[0125]
【权利要求】
1.用于燃料电池的催化剂，包括 活性金属催化剂；和 负载所述活性金属催化剂并包括球状载体和纤维状载体的复合载体， 其中基于所述复合载体的总量，以5重量％?40重量％的量包括所述纤维状载体。
2.权利要求1的用于燃料电池的催化剂，其中基于所述复合载体的总量，以5重量％?30重量％的量包括所述纤维状载体。
3.权利要求1的用于燃料电池的催化剂，其中所述纤维状载体相对于所述球状载体具有在2?10范围内的直径比。
4.权利要求1的用于燃料电池的催化剂，其中所述球状载体包括选自石墨和炭黑的至少一种。
5.权利要求4的用于燃料电池的催化剂，其中所述炭黑选自超导电乙炔炭黑、科琴黑、乙炔黑、槽黑、炉黑、灯黑、热解炭黑、及其组合。
6.权利要求1的用于燃料电池的催化剂，其中所述纤维状载体包括选自碳纳米纤维、石墨化的碳纳米纤维、碳纳米管、碳纳米角和碳纳米线的至少一种。
7.权利要求1的用于燃料电池的催化剂，其中基于所述催化剂的总量，以20重量％?80重量％的量包括所述复合载体。
8.用于燃料电池的电极，包括 电极基底；和 设置在所述电极基底上的包括根据权利要求1-7任一项的催化剂的催化剂层。
9.权利要求8的用于燃料电池的电极，其中所述催化剂层进一步包括离聚物。
10.权利要求9的用于燃料电池的电极，其中基于所述催化剂层的总量，以15重量％?50重量％的量包括所述离聚物。
11.用于燃料电池的膜-电极组件，包括 阴极； 面对所述阴极的阳极；和 介于所述阴极和所述阳极之间的聚合物电解质膜， 其中所述阴极和所述阳极的至少一个为权利要求8-10任一项的用于燃料电池的电极。
12.燃料电池系统，包括 用于供应包括燃料和水的混合燃料的燃料供应器； 用于重整所述混合燃料并产生包括氢气的重整气体的重整部件； 包括根据权利要求11的膜-电极组件和设置在所述膜-电极组件的任一侧上的隔板的堆，所述堆用于通过氧化剂和由所述重整部件供应的所述重整气体的电化学反应产生电能；和 用于将所述氧化剂供应到所述重整部件和所述堆的氧化剂供应器。
【文档编号】B01J32/00GK103943868SQ201410003336
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2013年1月18日
【发明者】金熙卓, 曹诚庸, 宋佳映 申请人:三星Sdi株式会社