[发明专利]用于燃料电池的载体、电极、膜电极组件和燃料电池系统

说明书

技术领域

本公开内容涉及用于燃料电池的载体(supporter)、以及包括其的电极、膜电极组件和燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是用于通过氧化剂和来自基于烃的(烃类)材料例如甲醇、乙醇或天然气的氢之间的化学反应产生电能的发电系统。这样的燃料电池是具有代替化石燃料的潜力的清洁能源。

燃料电池包括由单元电池构成的堆(stack)，所述单元电池各自配置成产生各种范围的功率。由于燃料电池具有小型锂电池的约四到十倍高的能量密度，其作为小型便携式电源已被关注。

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被称为直接甲醇燃料电池(DMFC)。PEMFC具有高能量密度和高功率的优点，和DOFC具有比聚合物电解质燃料电池的能量密度低的能量密度，但是其具有燃料容易操作、由于其低的运行温度而能够在室温运行、和不需要额外的燃料重整处理器的优点。

在上述燃料电池系统中，产生电的堆包括彼此相邻堆叠的几个到几十个单元电池。各个单元电池由膜电极组件(MEA)和隔板(也称为双极板)形成。MEA由被聚合物电解质膜隔开的阳极(也称为“燃料电极”或者“氧化电极”)和阴极(也称为“空气电极”或者“还原电极”)构成。燃料被供应至阳极并且被吸附在阳极的催化剂上。燃料被氧化以产生质子和电子。电子经由外部电路输送到阴极中，并且质子通过聚合物电解质膜输送到阴极中。此外，氧化剂被供应至阴极，然后氧化剂、质子和电子在阴极的催化剂上反应以产生电和水两者。

发明内容

在一个方面中，提供呈现出良好稳定性的用于燃料电池的载体。

在另一方面中，提供包括载体的用于燃料电池的电极。

在另一方面中，提供包括电极的用于燃料电池的膜电极组件。

在另一方面中，提供包括膜电极组件的燃料电池系统。

在另一方面中，提供用于燃料电池的载体，其包括，例如，碳质材料和形成于所述碳质材料的表面上的金属氧化物包覆层(coating layer)。

在一些实施方式中，所述碳质材料的表面是与所述金属氧化物共价结合的并且所述金属氧化物具有约1.5nm～约10nm的平均粒度。在一些实施方式中，所述碳质材料可为如下的至少一种：炭黑、石墨、超导电乙炔炭黑(denka black)、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米线、碳纳米球、和活性炭。在一些实施方式中，所述金属氧化物可选自包括如下的组：ZrO₂、SnO₂、WO₃、TiO₂、InO₂、SnO、或者其组合。在另一实施方式中，所述金属氧化物为包括Zr、Sn、W、Ti、和In的至少两种的复合金属氧化物。在一些实施方式中，所述金属氧化物的量可为约4wt%～约96wt%，基于100wt%的所述载体。

在另一方面中，提供载体和负载于所述载体上的活性金属。

在一些实施方式中，所述活性金属可为选自包括如下的组的至少一种：铂、钌、锇、铂/钌合金、铂/锇合金、铂/钯合金、铂/M合金(M为元素Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、Mo、W、Rh、Ru、或者其组合)、或者它们的组合。

在另一方面中，提供用于燃料电池的电极，其包括在电极基底上的催化剂层，所述催化剂层包括载体。

在另一方面中，提供用于燃料电池的膜电极组件，其包括阴极和阳极，所述阴极和所述阳极的至少一个由本公开内容的电极形成。在一些实施方式中，所述阴极和阳极彼此面对安置，聚合物电解质膜介于所述阴极和所述阳极之间。

在另一方面中，提供燃料电池系统，其包括：至少一个发电元件，其包括膜电极组件和安置在所述膜电极组件的各侧的隔板；燃料供应器；和氧化剂供应器。在一些实施方式中，所述发电元件配置成通过燃料的氧化和氧化剂的还原而产生电能。在一些实施方式中，所述燃料供应器配置成将燃料供应至所述发电元件和所述氧化剂供应器配置成将所述氧化剂供应至所述发电元件。

在另一方面中，用于燃料电池的载体被配置成提供呈现出出色的稳定性、活性、和/或循环寿命特性的催化剂。

附图说明

附图与说明书一起说明本公开内容的示例性实施方式，并且与说明书一起用于解释本公开内容的原理。

图1为用于燃料电池的载体的SEM照片和显示根据一个实施方式的载体的示意图。

图2为显示根据一个实施方式的燃料电池系统的结构的示意图。