[发明专利]离子传导微粒及其制备方法、离子传导复合物、膜电极组件(MEA)及电化学装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括离子离解性基团(ion-dissociative group)并对含氟树脂表现出亲和性的离子传导微粒(离子导电微粒，ion-conducting microparticle)及其制备方法、一种包括该离子传导微粒的离子传导复合物(离子传导复合材料，ion-conducting composite)、一种包括该离子传导复合物作为电解质的膜电极组件(MEA)、以及一种诸如燃料电池的电化学装置。

背景技术

因为燃料电池具有高能量转化效率并且不产生诸如氮氧化物的环境污染物，所以作为电源的燃料电池的研究和开发已经积极地进行。此外，近年来，随着便携式电子设备如笔记本式个人计算机和手机变得更加复杂和多功能化，所以存在这样的趋势，便携式电子设备消耗更多的功率，并且对于作为用于具有这样的趋势的便携式电子设备的电源的燃料电池寄予厚望。

在燃料电池中，燃料提供给负极以被氧化，而空气或氧提供给正极以被还原，并且在整个燃料电池中，燃料通过氧而被氧化。此时，燃料的化学能被高效地转化为电能，并且电能被提取。因此，燃料电池具有这样的特点，就是除非燃料电池被破坏，否则只要向燃料电池提供燃料，燃料电池就可以作为电源继续使用。

各种各样的燃料电池被提出或提供原型，并且一些燃料电池已投入实际使用。根据使用的电解质，燃料电池分为碱燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、高分子电解质燃料电池(PEFC)等。具体地，PEFC适合作为便携式电源，因为电解质为固体，没有电解质散落的可能性，并且相比于其他类型的燃料电池，PEFC可以在较低温度下运作，例如，大约30℃至130℃，并且启动时间短。

图8是举例说明形成为PEFC的燃料电池的构造的一个实例的剖视图。在燃料电池20中，彼此面对的负极(燃料电极)22和正极(氧电极)23连接到氢离子(质子)传导聚合物电解质膜21的各个表面以形成膜电极组件(MEA)24。在负极22，包括具有氢离子(质子)传导性的聚合物电解质颗粒和具有电子传导性的催化剂颗粒的多孔负极催化剂层22b，形成在由诸如碳纸(碳片材，carbon sheet)或碳布的多孔传导材料制成的透气集流体(气体扩散层)22a的表面上，从而形成气体扩散电极(gas diffusion electrode)。此外，在正极23中，同样地，包括具有氢离子(质子)传导性的聚合物电解质颗粒和具有电子传导性的催化剂颗粒的多孔正极催化剂层23b，形成在由诸如碳纸的多孔载体制成的透气集流体(气体扩散层)23a的表面上，从而形成气体扩散电极。催化剂颗粒可以是仅由催化剂材料制成的颗粒，或者可以是包括通过载体负载的催化剂材料的复合颗粒。

膜电极组件(MEA)24夹在燃料通道31和氧气(空气)通道34之间，并且安装在燃料电池20中。在发电期间，在负极22中，燃料从燃料入口32供应，并从燃料出口33排出。同时，部分燃料通过透气集流体(气体扩散层)22a而到达负极催化剂层22b。作为燃料电池的燃料，可以使用各种可燃材料如氢气和甲醇。在正极23中，氧气或空气从氧气(空气)入口35提供，并从氧气(空气)出口36排出。同时，部分氧气(空气)通过透气集流体(气体扩散层)23a而到达正极催化剂层23b。

例如，在燃料为氢气的情况下，提供给负极催化剂层22b的氢气通过由以下反应式(1)表示的反应在负极催化剂颗粒上被氧化，从而向负极22提供电子。

2H₂→4H⁺+4e^-…(1)

产生的氢离子H⁺通过聚合物电解质膜21传递到正极23。提供给正极催化剂层23b的氧气通过由以下反应式(2)表示的反应在正极催化剂颗粒上与从负极传递的氢离子发生反应而被还原，然后从正极23获取电子。

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O…(2)

在整个燃料电池20中，发生由以下反应式(3)(通过组合反应式(1)和(2)获得)表示的反应。

2H₂+O₂→2H₂O…(3)