[發明專利]燃料電池的電極層及其制造方法

有效

• 申請號: 200910146886.X
• 申請日: 2009-06-19
• 公開（公告）號: CN101841042A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發明（設計）人: 黃炳照;鄭凱慈
• 申請（專利權）人: 黃炳照
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 吳培善

技術領域

本發明是有關于一種電化學電池的電極及其制造方法，且特別是有關于一種燃料電池的電極及其制造方法。此外，本發明是有關一種電極，其具有由離子聚合物(ionomer)所構成的離子通道，以及此電極的制造方法。

背景技術

由于燃料電池產生的污染排放比碳基燃料低，燃料電池技術已發展成可行的替代能源。燃料電池是將化學能直接轉換為電能的裝置。基本上，燃料電池的運作是藉由將反應燃料中的電子與質子分離，并驅動電子流經電路以產生電力。因此，燃料電池在將能量轉換成電力前，不需經過中間轉換成熱能及機械能，因而其能量轉換效率比傳統的內燃機高。燃料電池有相當多的種類，一般常用的分類方法是以電池內使用的電解質或燃料電池的操作溫度來做區分。舉例來說，燃料電池可分為堿性燃料電池(alkaline?fuel?cell，AFC)、質子交換膜燃料電池(proton?exchange?membrane?fuel?cell，PEMFC)、直接甲醇燃料電池(direct?methanol?fuel?cell，DMFC)、磷酸燃料電池(phosphoric?acid?fuel?cell，PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(molten?carbonate?fuel?cell，MCFC)以及固態氧化物燃料電池(solid?oxide?fuel?cell，SOFC)。

所有燃料電池的基本架構皆相似。電池基本上是由兩個電極(陽極與陰極)所組成，電解質會分隔兩個電極，且兩個電極會與外部電路連接。兩極分別暴露在不同之反應物，其反應物可為氣態(如氫氣或氧氣)或液態(甲醇)中。此裝置可以自發反應，并在電池兩極產生電位差。舉例來說，在質子交換膜燃料電池中，加壓的氫氣經由燃料電池的陽極端進入。在陽極的催化劑表面，氫氣分子會解離并發生反應生成兩個氫離子(H⁺)與兩個電子(e^-)。氫離子會經由電解質移動至陰極端，而帶有能量之電子則經由外部電路提供負載使用。而產生之質子經由電解質傳導至陰極，而在陰極側，氧分子會解離并接受來自外部電路的電子形成氧離子，而氫離子與氧離子結合而生成水。

對電化學電池而言，一個好電極的主要需求是在于：具有較大的三相反應區，包括具有連續之電子傳導路徑，連續之離子傳導路徑，與傳導反應物之通道，以確保優異的電子傳導性、離子傳導性與反應物之氧化還原反應。于電極中，三相區通常是由催化劑顆粒、離子聚合物粘結劑(ionomeric?binder)與反應物所形成。用來使催化劑顆粒分布于其上之的支撐物如炭布可以提供電子傳導路徑，而離子聚合物粘結劑提供離子傳導路徑。

為了促進電化學反應以改善電化學裝置的效能，特別是改善燃料電池的效能，必須增進離子傳導能力與電子傳導能力。此外，催化劑通常是使用昂貴的貴金屬(例如鉑)所制成，因而成為燃料電池中主要的成本之一。因此，改善催化劑利用率也是相當重要的課題。

發明內容

本發明提供一種電化學組件的電極結構及其制造方法，特別是針對燃料電池，以增加三相反應區并提高催化劑利用率。

本發明提供一種電化學組件的電極及其制造方法，特別是針對燃料電池，其中電極包括連續的離子傳導路徑，以提高離子傳導。

本發明又提供一種電化學組件的電極及其制造方法，特別是針對燃料電池，其中可使電極與電解質膜之間會形成同質接面(homo-junction)，因而降低薄膜電極組件(membrane?electrode?assembly，MEA)的界面阻力(interfacial?resistance)。

本發明提出一種電化學組件的電極，特別是燃料電池的電極，其中電極至少包括催化劑層，其配置于如擴散層的多孔背襯層(porous?backing?layer)。電極也包括連續離子通道(continuous?ionic?channel)，為離子聚合物沉積在催化劑層所構成。

在本發明的一個實施方案中，上述之沉積離子聚合物沿著催化劑層的厚度形成連續的離子傳導路徑。

在本發明的一個實施方案中，上述之多孔背襯層包括碳(carbon-based)或金屬(metal-based)材料。

在本發明的一個實施方案中，上述之催化劑層包括貴金屬。

在本發明的一個實施方案中，電化學組件電極的電荷轉移電阻(charge?transfer?resistance，R_ct)會降低，特別是燃料電池的電荷轉移電阻會降低。