燃料電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請要求于2013年11月01日在韓國知識產(chǎn)權(quán)局提交的韓國專利申請N0.10-2013-0132413的優(yōu)先權(quán)及權(quán)益，該專利申請的全部內(nèi)容通過引用并入本文。
[0002]本申請涉及一種燃料電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003]近來，已經(jīng)預(yù)期相關(guān)技術(shù)中的能源例如石油或煤將被耗盡，因此對于能夠替代相關(guān)技術(shù)中的能源的能量的興趣增大。燃料電池作為這些替代能源中的一種，由于具有效率高、不排放例如NO# SO x的污染物以及所用燃料豐富的優(yōu)點而特別受到關(guān)注。
[0004]燃料電池是使燃料與氧化劑進行電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的裝置。在燃料電池中，氫氣用作燃料，氧氣用作氧化劑，并且電極由在氫氣氧化反應(yīng)(HOR)中起催化作用的陽極和在氧氣還原反應(yīng)(ORR)中起催化作用的陰極組成。在燃料電池中，電極包含起到前述催化作用的催化劑，并且通常使用鉑作為催化材料。然而，由于鉑具有成本高以及對于雜質(zhì)的容許值低的問題，因此已經(jīng)進行大量研究以制備并使用在減少鉑的用量的同時提供優(yōu)于純鉑的電化學(xué)活性和穩(wěn)定性的電化學(xué)活性和穩(wěn)定性的催化劑。在前述研究中，主要提出了提高鉑自身的活性或鉑與過渡金屬的合金型電極催化劑的方案，但是近來，對于具有電化學(xué)活性和穩(wěn)定性的納米粒子結(jié)構(gòu)類型的興趣增大。
[0005]合成金屬納米粒子的方法的實例包括在溶液中用還原劑還原金屬離子的方法、使用伽馬射線的方法以及電化學(xué)方法等，然而在相關(guān)技術(shù)的方法中，由于難以合成具有均勻尺寸和形狀的納米粒子或使用有機溶劑，因此出于多種原因(例如，將環(huán)境污染和高成本視作問題的原因)而難以經(jīng)濟地進行高質(zhì)量納米粒子的大規(guī)模生產(chǎn)。
[0006]此外，由于金屬納米粒子容易經(jīng)熱處理溫度或反應(yīng)溫度而變得不穩(wěn)定，因而很多情況下將金屬納米粒子分散在載體中來使用。因此，需要開發(fā)一種在載體中有效負載具有均勻尺寸的高質(zhì)量金屬納米粒子的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]技術(shù)問題
[0008]本申請所要解決的問題是提供一種燃料電池及其制備方法，所述燃料電池包含具有均勻納米尺寸的金屬粒子負載于載體中的載體-金屬納米粒子復(fù)合物作為電極催化劑。
[0009]本申請所要解決的問題并不局限于前述技術(shù)問題，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員從下面的描述中可以清楚地理解其它未提及的技術(shù)問題。
[0010]技術(shù)方案
[0011]本申請的示例性實施方案提供一種燃料電池，該燃料電池包括:陰極；陽極；以及設(shè)置在所述陰極與所述陽極之間的電解質(zhì)膜，其中，所述陰極和所述陽極中的至少一個包含載體-金屬納米粒子復(fù)合物，在該載體-金屬納米粒子復(fù)合物中，包含第一金屬和第二金屬以及一個或多個從外表面連續(xù)的空腔的金屬納米粒子負載在載體中。
[0012]本申請的另一示例性實施方案提供一種制備燃料電池的方法，該方法包括:制備電解質(zhì)膜；在所述電解質(zhì)膜的一個表面上形成陰極；以及在所述電解質(zhì)膜的另一個表面上形成陽極，其中，所述陰極和所述陽極中的至少一個包含載體-金屬納米粒子復(fù)合物，在該載體-金屬納米粒子復(fù)合物中，包含第一金屬和第二金屬以及一個或多個從外表面連續(xù)的空腔的金屬納米粒子負載在載體中。
[0013]有益效果
[0014]在本申請的燃料電池中，至少一個電極包含載體-金屬納米粒子復(fù)合物，所述載體-金屬納米粒子為具有幾個納米的均勾尺寸的金屬納米粒子負載于載體中的復(fù)合物，并且具有優(yōu)異的分散性和對于載體的負載率，因而可以表現(xiàn)出優(yōu)異的催化效果。
[0015]此外，優(yōu)點在于，負載于載體中的金屬納米粒子包括空腔，通過所述空腔，即使金屬納米粒子的內(nèi)表面積也可以被用作反應(yīng)發(fā)生的接觸面積，從而使得催化效率顯著提高。
【附圖說明】
[0016]圖1示意性地示出了根據(jù)本申請的一個示例性實施方案的在制備載體-金屬納米粒子的過程中通過表面活性劑形成膠束的圖示；
[0017]圖2和圖3示出了由制備例I制備的載體-金屬納米粒子復(fù)合物的透射電子顯微鏡(TEM)圖像；
[0018]圖4和圖5示出了由制備例2制備的載體-金屬納米粒子復(fù)合物的透射電子顯微鏡(TEM)圖像；
[0019]圖6示出了相關(guān)技術(shù)中的載體-金屬納米粒子復(fù)合物的透射電子顯微鏡(TEM)圖像；
[0020]圖7示意性地示出了根據(jù)本申請的一個示例性實施方案的載體-金屬納米粒子復(fù)合物的結(jié)構(gòu)；
[0021]圖8示意性地示出了燃料電池的電流產(chǎn)生原理；
[0022]圖9示意性地示出了根據(jù)本申請的一個示例性實施方案的用于燃料電池的膜電極組件的結(jié)構(gòu)；
[0023]圖10示意性地示出了根據(jù)本申請的一個示例性實施方案的燃料電池。
【具體實施方式】
[0024]通過參照下面所詳細描述的實施方案和附圖，本申請的優(yōu)點和特征以及實現(xiàn)這些優(yōu)點和特征的方法將會變得顯而易見。然而，本申請并不局限于如下公開的示例性實施方案，而是可以以多種不同形式來實施。因此，提供本文中所引入的示例性實施方案是為了使本申請的公開內(nèi)容透徹和完整，并向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分傳達本發(fā)明的精神，并且本申請僅由所附權(quán)利要求書的范圍來限定。出于清楚描述的目的，附圖中標示的構(gòu)成要素的尺寸和相對尺寸可能被放大。
[0025]除非另行定義，本文中使用的全部術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所通常理解的含義相同的含義。此外，除非在本申請中明確限定，否則按照常用詞典中定義的這些術(shù)語不應(yīng)被解釋為具有理想化或過度教條的含義。
[0026]下文中，將詳細地描述本申請。
[0027]本申請?zhí)峁┮环N燃料電池，該燃料電池包括:陰極；陽極；以及設(shè)置在所述陰極與所述陽極之間的電解質(zhì)膜，其中，所述陰極和所述陽極中的至少一個包含載體-金屬納米粒子復(fù)合物，在該載體-金屬納米粒子復(fù)合物中，包含第一金屬和第二金屬以及一個或多個從外表面連續(xù)的空腔的金屬納米粒子負載在載體中。
[0028]并且，本申請?zhí)峁┮环N載體-金屬納米粒子復(fù)合物，其中，包含第一金屬和第二金屬以及一個或多個從外表面連續(xù)的空腔的金屬納米粒子負載在載體中。
[0029]根據(jù)本申請的示例性實施方案的燃料電池為陽極催化層和陰極催化層與電解質(zhì)膜接觸的類型，并且可以按照本領(lǐng)域中已知的常規(guī)方法來制備。例如，所述燃料電池可以通過在陰極、陽極以及位于陰極與陽極之間的電解質(zhì)膜彼此緊密接觸的狀態(tài)下，在100至400 °C下進行熱壓合來制備。
[0030]所述陽極可以包括陽極催化層和陽極氣體擴散層。所述陽極氣體擴散層又可以包括陽極微孔層和陽極基材。
[0031]所述陰極可以包括陰極催化層和陰極氣體擴散層。所述陰極氣體擴散層又可以包括陰極微孔層和陰極基材。
[0032]圖8示意性地示出了燃料電池的電流產(chǎn)生原理，在燃料電池中，產(chǎn)生電流的最基本單元為膜電極組件MEA，該膜電極組件MEA由電解質(zhì)膜M以及在所述電解質(zhì)膜M的兩個表面上形成的陽極電極A和陰極電極C組成。參見示出了燃料電池的電流產(chǎn)生原理的圖8，在陽極電極A中，發(fā)生燃料F (例如氫氣、甲醇或諸如丁烷的烴類)的氧化反應(yīng)，由此生成氫離子(H+)和電極(e)，并且氫離子穿過電解質(zhì)膜M而移動至陰極電極C。在陰極電極C中，迀移通過電解質(zhì)膜M的氫離子、氧化劑0(例如氧氣)和電子進行反應(yīng)而生成水W。電子通過此反應(yīng)而移動至外電路。
[0033]如上所述，膜電極組件MEA是指燃料和空氣發(fā)生電化學(xué)催化反應(yīng)的電極(陰極和陽極)以及發(fā)生氫離子轉(zhuǎn)移的聚合物膜的組合，并且是電極(陰極和陽極)和電解質(zhì)膜相粘附的單一集成單元。
[0034]圖9示意性地示出了用于燃料電池的膜電極組件的結(jié)構(gòu)，該用于燃料電池的膜電極組件設(shè)置有電解質(zhì)膜10以及陽極和陰極，所述陽極和所述陰極彼此面向放置，同時電解質(zhì)膜10插入其間。
[0035]所述陽極由陽極催化層20和陽極氣體擴散層50組成，陽極氣體擴散層50又由陽極微孔層30和陽極基材40組成。本文中，陽極氣體擴散層設(shè)置在陽極催化層與電解質(zhì)膜之間。
[0036]所述陰極由陰極催化層21和陰極氣體擴散層51組成，陰極氣體擴散層51又由陰極微孔層31和陰極基材41組成。本文中，陰極氣體擴散層設(shè)置在陰極催化層與電解質(zhì)膜之間。
[0037]圖9示出了劃分為催化層和氣體擴散層的陽極和陰極，但本申請并不局限于此，如有必要，可以改變陽極和陰極的結(jié)構(gòu)。
[0038]所述陽極催化層和所述陰極催化層中的至少一個可以包含所述載體-金屬納米粒子復(fù)合物作為催化劑。作為殘基，可以優(yōu)選使用選自鉑、釕、鋨、鉑-釕合金、鉑-鋨合金、鉑-鈀合金和鉑-過渡金屬合金的催化劑。前述催化劑可以單獨使用，并且可以負載于碳類載體中使用。
[0039]在使用所述載體-金屬納米粒子復(fù)合物作為催化劑的情況下，由于金屬納米粒子通過空腔而具有較大的表面積，使得反應(yīng)面積增大，因而可以確保提高催化活性的效果，并且可以提高燃料電池的性能。
[0040]可以通過本領(lǐng)域中已知的常規(guī)方法來進行引入催化層的過程，例如，可以將催化劑墨水直接涂布在電解質(zhì)膜上或涂布在氣體擴散層上而形成催化層。在此情況下，對于催化劑墨水的涂布方法沒有特別限制，但是可以采用噴涂方法、流延成型方法、絲網(wǎng)印刷方法、刮涂方法、模涂方法或旋轉(zhuǎn)涂布方法等。所述催化劑墨水代表性地可以由催化劑、聚合物離聚物和溶劑制成。
[0041]所述氣體擴散層充當反應(yīng)氣體和水的移動通道并起到電流導(dǎo)體的作用，并且具有多孔結(jié)構(gòu)。因此，該氣體擴散層可以包括導(dǎo)電基材。作為所述導(dǎo)電基材，可以優(yōu)選使用碳紙、碳布或碳氈。所述氣體擴散層還可以包括催化層與導(dǎo)電基材之間的微孔層。所述微孔層可以用于改善燃料電池在低濕度條件下的性能，并起到減少排放至氣體擴散層外的水的量的作用，從而使得電解質(zhì)膜處于充分潤濕的狀態(tài)。
[0042]具體而言，本申請?zhí)峁┮环N聚合物電解質(zhì)型燃料電池，該燃料電池包括:含有一個或兩個或更多個膜-電極組件以及插入膜-電極組件之間的雙極板的堆棧；向所述堆棧供應(yīng)燃料的燃料供應(yīng)部；以及向所述堆棧供應(yīng)氧化劑的氧化劑供應(yīng)部。
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