[发明专利]用于燃料电池的基于纳米线的膜电极组件

说明书

本申请是2005年12月6日提交的国际申请号为PCT/US2005/044068、国家申请号为200580042287.3、发明名称为“用于燃料电池的基于纳米线的膜电极组件”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本非临时申请要求2005年11月21日提交的题为“Stringed NanographiticCarbon(弦线化纳米石墨碳)”、律师备案号为01-007400的美国临时专利申请，以及2004年12月9日提交的美国临时专利申请No.60/634,472的优先权，这些申请通过引用整体结合于此。

技术领域

本发明一般涉及燃料电池，尤其涉及用于该燃料电池的基于纳米线的电极和膜电极组件。

背景技术

燃料电池是将诸如氢和甲醇的燃料的化学能直接转化成电能的装置。燃料电池的基本物理结构或构件由与两侧的多孔阳极和阴极接触的电解质层构成。图1示出具有反应物/产物气体的燃料电池和离子传导流穿过电池的方向的示意图。在图1所示的典型燃料电池中，燃料(例如甲醇或氢)被提供给可将燃料分子转化成质子(以及甲醇燃料电池的二氧化碳)的阳极催化剂，这些质子穿过质子交换膜到达电池的阴极一侧。在阴极催化剂处，质子(例如不带电子的氢原子)与氧离子反应形成水。通过将导电线从阳极连接到阴极一侧，从阳极侧的燃料、氢或甲醇剥除的电子可传播到阴极侧并与氧结合以形成氧离子，从而产生电。通过阳极的氢或甲醇燃料的电化学氧化与阴极的氧的减少而工作的燃料电池是诱人的电源，因为它转化效率高、污染低、重量轻以及能量密度高。

例如，在直接甲醇燃料电池(DMFC)中，在存在水的情况下液态甲醇(CH₃OH)在阳极处被氧化从而产生CO₂、氢离子和电子，电子作为燃料电池的电输出而传输通过外部电路。氢离子传输通过电解质并与来自空气的氧气和来自外部电路的电子反应以在阳极处形成水，从而完成电路。

阳极反应：CH₃OH+H₂O＝＞CO₂+6H++6e-

阴极反应：3/2O₂+6H++6e-＝＞3H₂O

电池整体反应：CH₃OH+3/2O₂＝＞CO₂+2H₂O

最初在20世纪90年代早期开发时，DMFC因其低效率和功率密度以及其它问题而未被采用。催化剂的改进和近期的其它改进使功率密度增加20倍且效率可最终达到40％。在约50℃-120℃的范围内对这些电池进行测试。较低的工作温度和无需燃料重整器(reformer)使得DMFC成为诸如手机、膝上计算机、相机和其它消费品的极小尺寸到中等大小应用直到汽车功率设备的优秀候选。DMFC的缺点之一是甲醇低温氧化成氢离子和二氧化碳需要更加活性的催化剂，这通常说明需要更大量的昂贵铂(和/或钌)催化剂。

DMFC通常需要使用钌(Ru)作为催化剂成分，因为其较高的一氧化碳(CO)容耐和反应性。Ru分离水以产生便于将从甲醇产生的CO氧化成CO₂的氧化物质。因为纳米尺寸的二金属Pt:Ru颗粒的高表面积与体积比率，一些现存的DFMC将其用作电氧化催化剂。Pt/Ru纳米颗粒通常设置在碳载体上(例如碳黑、富勒烯烟炱、脱硫碳黑)以形成堆积颗粒复合催化剂结构。用于产生Pt:Ru碳堆积颗粒复合物的最通用技术是在含有氯化铂和氯化钌的溶液中注入碳载体，之后进行热还原。

在多孔电极的区域中燃料电池反应物、电解质、活性Pt:Ru纳米颗粒和碳载体之间建立了多相界面或接触。该界面的性质在燃料电池的电化学性能中起关键作用。已经知道堆积颗粒复合物中只可使用一部分催化剂颗粒位置，因为其它位置不是反应物不能进入、就是未连接到碳载体网络(电子路径)和/或电解质(质子路径)。实际上，目前的堆积颗粒复合物只使用了催化剂颗粒的约20％或30％。因此，大多数使用堆积颗粒复合结构的DMFC是极没有效率的。