[发明专利]高分子电解质膜燃料电池用纳米结构电极及其制造方法

说明书

本发明涉及一种高分子电解质膜燃料电池用纳米结构电极、其制造方法，以及包含该电极的燃料电池，所述电极包括：三维纳米结构体，包含纳米多孔性气凝胶(aerogel)及包覆所述气凝胶的表面的离聚物；以及催化剂，分散于所述三维纳米结构体中。所述电极通过离聚物的纳米结构化、催化剂的均匀分散以及催化剂的利用率增加，提高催化剂的性能，即使以相对少量的催化剂也能得到优秀的电流密度与电力密度，并通过减少催化剂的使用量，能取得降低价格的效果，而且物质传递效率及低加湿性能优秀。

技术领域

本发明涉及一种高分子电解质膜燃料电池用纳米结构电极，其制造方法，以及包含该电极的燃料电池，更具体涉及一种通过离聚物的纳米结构化、催化剂的均匀分散以及催化剂的利用率增加，提高催化剂的性能，即使以相对少量的催化剂也能得到优秀的电流密度与电力密度，并通过减少催化剂的使用量，能取得降低价格的效果，而且物质传递效率及低加湿性能优秀的高分子电解质膜燃料电池用纳米结构电极、其制造方法，以及包含该电极的燃料电池。

背景技术

燃料电池是具备将甲醇、乙醇、天然气体等烃类的燃料物质内所含有的诸如氢气与氧气的氧化/还原反应的化学反应能量直接转换成电能的发电系统的电池，由于高能效与排出污染物少的环保的特征，作为可替代化学能源的新一代纯净能源而受到瞩目。

这种燃料电池通过层叠单位电池，形成电池堆结构，从而具有进行不同范围的输出的优点，与小型锂电池相比，显示出4～10倍的能量密度，因此作为小型及移动用便携式电源而备受关注。

燃料电池中实质性产生电的电池堆具有由数个或数十个单位电池层叠的结构，该单位池由膜电极组件(Membrane Electrode Assembly，MEA)与隔片(separator)(或者又称“双极板(Bipolar Plate)”)构成，膜电极组件一般具有隔着电解质膜，在其两侧分别形成氧化极(Anode或燃料极)与还原极(Cathode或空气极)的结构。

根据电解质的状态及种类，燃料电池可分为碱性电解质燃料电池、高分子电解质膜燃料电池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell，PEMFC)等，其中，高分子电解质膜燃料电池由于小于100℃的低工作温度、快速的启动和响应特性以及优秀的耐久性等优点，作为便携用、车辆用及家庭用电源设备而备受关注。

作为高分子电解质膜燃料电池的代表性例，可举出将氢气用作燃料的质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)，将液态甲醇用作燃料的直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)等。

总结在高分子电解质膜燃料电池中发生的反应，首先，当诸如氢气的燃料供给到氧化极时，在氧化极上因氢气的氧化反应而生成氢离子(H⁺)与电子(e^-)。所生成的氢离子通过高分子电解质膜传递到还原极，所生成的电子通过外部回路传递到还原极。还原极被供给氧气，氧气与氢离子及电子结合，通过氧气的还原反应而生成水。

燃料电池的电极可通过由催化剂、离聚物及溶剂构成的电极形成用组合物来制造，它们间的结合及分散度对电池的性能及耐久性产生很大的影响。

另一方面，纳米气孔性气凝胶是具有80～99体积％的气孔率与1～100nm范围大小的气孔的超多孔性高比表面积物质，具有迄今为止在人类开发的材料中具有最轻、最出色的超轻量/超隔热/超低介电等特征，因此不仅在除了气凝胶材料的开发研究以外，还活跃开展超级电容器、海水淡化用电极材料、极低介电性材料、光学及音响材料的研究。

特别是，二氧化硅气凝胶作为在建筑用、工业用、宇航用、造船用等节能材料、吸音材料、防火材料等能源/环境/电器电子领域中具有无限的应用性的有前景的原料，随着新市场的扩大，需要开发新的应用产品及技术。

但是，至今为止还没有使用这种二氧化硅气凝胶作为电极原料的事例。

发明内容