[發(fā)明專利]非水性燃料電池催化劑及其制造方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611106747.0
• 申請(qǐng)日: 2016-12-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107591539A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-01-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李美惠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社
• 主分類號(hào): H01M4/88
• 分類號(hào): H01M4/88;H01M4/90;H01M4/92
• 代理公司: 北京康信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司11240
• 代理人: 陳鵬,李靜

相關(guān)申請(qǐng)的引證

本申請(qǐng)要求于2016年7月7日在韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的韓國(guó)專利申請(qǐng)第10-2016-0086041號(hào)的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，通過(guò)引證將其全部?jī)?nèi)容并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開(kāi)涉及可以在非水性條件下即在缺乏濕度的情況下操作的燃料電池催化劑。更具體地說(shuō)，本公開(kāi)涉及一種非水性燃料電池催化劑，通過(guò)用含有化學(xué)地鍵合至其上的磷酸基團(tuán)的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物(proton-conducting polymer)涂覆用于燃料電池的高耐久性載體介質(zhì)(CNT，富勒烯等)的表面且隨后合成含鉑(Pt)的燃料電池催化劑，該非水性燃料電池催化劑允許質(zhì)子和電子移動(dòng)穿過(guò)碳載體介質(zhì)(support medium)和鉑燃料電池催化劑之間的聚合物膜以允許質(zhì)子和電子在包括無(wú)濕度、低濕度和合適濕度的條件下移動(dòng)。

背景技術(shù)

主要能源如化石燃料、核能和水電在現(xiàn)代社會(huì)中是不可缺少的，并且對(duì)其的依賴性正在增加。

然而，由于出現(xiàn)如這些能源的損耗和環(huán)境污染的問(wèn)題，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)致力于更有效地使用能量且開(kāi)發(fā)可替換的能源，并且已經(jīng)集中于改善技術(shù)上的技能以研究和開(kāi)發(fā)能量工業(yè)上的進(jìn)步。

由于缺乏天然資源而進(jìn)口大多數(shù)的用于能源的原材料的韓國(guó)急切地要求開(kāi)發(fā)和使用能夠改善能量利用效率且解決污染問(wèn)題的新型技術(shù)。從2000年以來(lái)由于耗電量顯著地增加，這是特別真實(shí)的。此外，已經(jīng)存在對(duì)大容量發(fā)電站的龐大的投資和開(kāi)發(fā)。

由于當(dāng)前油價(jià)快速上升以及由聯(lián)合國(guó)框架公約針對(duì)氣候變化提出的環(huán)境規(guī)章，可替換的能量的重要性已經(jīng)上升，因此作為可替換的下一代電力能源的燃料電池正吸引越來(lái)越多的關(guān)注。燃料電池是一類將燃料的化學(xué)能直接地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿闹绷靼l(fā)電機(jī)，并且不同于其他的發(fā)電機(jī)其對(duì)卡諾循環(huán)沒(méi)有限制，因此相對(duì)于其他的發(fā)電機(jī)具有更高的能量效率且減少噪音、震動(dòng)和排氣問(wèn)題。

此外，可以提供燃料電池用于連續(xù)地發(fā)電，只要連續(xù)地供給燃料和氧化劑，然而一次電池和二次電池存儲(chǔ)和供給受限的能量。取決于電解質(zhì)和驅(qū)動(dòng)溫度，將燃料電池劃分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)等。

在燃料電池之中，由于相對(duì)于其他高溫燃料電池的低操作溫度，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)提供迅速的啟動(dòng)(start-up)，使用固體電解質(zhì)可以易于將其制造且其提供高的電力，因此作為用于電動(dòng)機(jī)、住宅等的用于分布和分散電力供給的能源而受到更多的關(guān)注。

如在圖1中示出的，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)是基于這種原理，其中在通過(guò)電解質(zhì)布置的陽(yáng)極和陰極中，由在陽(yáng)極的氫的氧化產(chǎn)生的氫離子與在陰極的氧反應(yīng)以產(chǎn)生水，導(dǎo)致發(fā)電。

一種目前使用的燃料電池聚合物電解質(zhì)膜是基于全氟磺酸的Nafion，其是昂貴的且具有降低的氫離子傳導(dǎo)性以及由于膜在80℃或更高下水合其電池功能快速地劣化。

因此，使用濕度體系的PEMFC涉及由于低操作溫度劣化的電極活性和由一氧化碳(CO)引起的嚴(yán)重毒性。此外，需要用于水控制(water management)以施加濕度至膜的另外設(shè)施，其導(dǎo)致燃料電池的效率劣化以及價(jià)格增加，因此是燃料電池商業(yè)化的首要障礙。

在解決這些問(wèn)題的嘗試中，已經(jīng)使用甚至在高溫?zé)o濕度(非水性)的環(huán)境下具有優(yōu)異的氫離子傳導(dǎo)性、電化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的材料作為用于燃料電池的聚合物電解質(zhì)。這類材料中，磷酸摻雜的聚苯并咪唑類聚合物電解質(zhì)的使用已經(jīng)變得更普遍(日本專利公開(kāi)公布第2000-195528號(hào))。然而，當(dāng)使用這種電解質(zhì)時(shí)，由在陰極產(chǎn)生的水釋放磷酸，并且在電解質(zhì)膜上的氫離子傳導(dǎo)性降低。

因此，已經(jīng)進(jìn)行研究新穎的途徑以使用非水性聚合物電解質(zhì)來(lái)降低聚合物電解質(zhì)膜的成本，并且改善高溫穩(wěn)定性、水合穩(wěn)定性和電化學(xué)特性。