[发明专利]使用燃料电池用电极催化剂的多孔载体制备自立电极的方法、包含该电极的膜电极组件

说明书

技术领域

本发明涉及用于聚合物电解质膜燃料电池的多孔电极，更具体而言，涉及通过下述方式制备膜-电极组件的方法：将催化剂墨水涂布在具有大孔的非导电性基板上而形成自立(self-stand)电极层，然后将其连接到聚合物电解质膜。根据本发明的多孔自立电极使水分和气体在高电流密度操作区平稳地排出和流入从而改善燃料电池的性能，并且能够被随意切割从而简化膜-电极组件的制备工序。

背景技术

燃料电池是一种下述装置：其通过使诸如氢或甲醇等电化学反应燃料与氧反应而将燃料的化学能直接转化为电能，不经过卡诺循环，不同于现有热发电，从而使得燃料电池具有高发电效率，具有很少的诸如NOx或SOx等污染物排放，并且在其运行中不产生噪音，由此已作为下一代清洁能源而引人注目。

根据所用电解质的种类，燃料电池分为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)等。其中，与其他电池相比聚合物电解质膜燃料电池具有高发电效率、低运行温度和紧凑等优点，从而使得它极其有望用作机动车电源、用于住宅等的小型发电装置、移动和应急电源或军用电源等。

聚合物电解质膜燃料电池通常具有7层结构(隔板/气体扩散电极/燃料电极/聚合物电解质膜/空气电极/气体扩散电极/隔板)。在其他情况中，在其两侧不含隔板的5层结构通常称为膜电极组件(MEA)。在回顾述燃料电池的运行原理时，通过隔板和气体扩散电极的通道将诸如氢或甲醇等燃料均匀地供给到燃料电极，并以与燃料电极相同的方式通过隔板和气体扩散电极的通道将空气或氧均匀地供给到空气电极。在燃料电极中，燃料被氧化生成氢离子和电子，此时，氢离子通过电解质膜移动到空气电极，电子通过构成外电路的导线和负载移动到空气电极。在空气电极中氢离子与电子进行还原反应从而生成水，并将水排出到外部。尽管有各种因素影响燃料电池的性能，在膜电极组件的情况中，孔隙结构应当被适当控制，以使气体扩散、离子传导和水分保持能够在燃料电极和空气电极中相容。因此，扩大活性反应区(通常称作3相界面反应区)是非常重要的。特别是，淹没(flooding)现象(由于在高电流密度区中的电极反应产生的水未被排出而保留在电极孔隙中而抑制燃料气体的流入)阻断在电极中形成3相界面，从而引起燃料电池性能下降。

因此，需要开发燃料电池用多孔电极，从而通过即使在经由电极反应产生大量水的高电流密度操作区中也使水和燃料气体易于排出和扩散来维持3相界面，由此改善燃料电池性能。

同时，韩国专利公报2005-0116581号公开了使用涂布有碳基材料的多孔金属网薄膜作为电极基板的燃料电池用电极。韩国专利公报2006-0086531号公开了在炭纸上形成贯通孔并用防水聚合物对其进行涂布、再用亲水性聚合物材料填充该贯通孔的电极，以通过使阴极形成的水易于排出到电池外部从而避免孔隙由于水而阻塞的现象。不过，使用金属网时，出现由于金属腐蚀而导致耐久性劣化的问题，而当使用在电极基板内部的贯通孔中包含吸附性多孔材料的电极时，存在制造方法复杂的缺点。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种燃料电池用多孔电极，其使用非导电性多孔基板引入大孔，并通过将具有优异的电化学性能的催化剂墨水涂布在该多孔基板上而赋予导电性和电化学活性，从而减少高电流密度操作区的淹没现象并优化3相界面，由此使其可改善燃料电池性能。

本发明的另一目的是提供能够不依赖于聚合物电解质膜或气体扩散层而独立制造因而易于量产膜-电极组件的燃料电池用多孔电极。

本发明的另一目的是提供通过将燃料电池用多孔电极连接到聚合物电解质膜的两侧而制得的膜-电极组件，以及使用该膜-电极组件的燃料电池。

本发明涉及使用非导电性多孔基板引入大孔并通过将具有优异的电化学性能的催化剂墨水涂布在该多孔基板上而赋予导电性和电化学活性的燃料电池用多孔电极、通过该多孔电极连接到聚合物电解质膜而制得的膜-电极组件及其制备方法。

通过将催化剂墨水涂布在非导电性多孔基板的内部和表面上而赋予导电性和电化学活性的根据本发明的燃料电池用多孔电极，使用该非导电性多孔基板而与诸如金属等导电性基板的情况相比没有由于腐蚀而劣化的可能性，具有不产生由长期使用所引起的燃料电池特性劣化的优点。而且，由于将有机聚合物膜用作非导电性多孔基板，容易进行诸如切割等处理，具有易于量产膜-电极组件的优点。