[发明专利]非水性燃料电池催化剂及其制造方法

说明书

相关申请的引证

本申请要求于2016年7月7日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0086041号的优先权的权益，通过引证将其全部内容并入本文。

技术领域

本公开涉及可以在非水性条件下即在缺乏湿度的情况下操作的燃料电池催化剂。更具体地说，本公开涉及一种非水性燃料电池催化剂，通过用含有化学地键合至其上的磷酸基团的质子传导聚合物(proton-conducting polymer)涂覆用于燃料电池的高耐久性载体介质(CNT，富勒烯等)的表面且随后合成含铂(Pt)的燃料电池催化剂，该非水性燃料电池催化剂允许质子和电子移动穿过碳载体介质(support medium)和铂燃料电池催化剂之间的聚合物膜以允许质子和电子在包括无湿度、低湿度和合适湿度的条件下移动。

背景技术

主要能源如化石燃料、核能和水电在现代社会中是不可缺少的，并且对其的依赖性正在增加。

然而，由于出现如这些能源的损耗和环境污染的问题，发达国家已经致力于更有效地使用能量且开发可替换的能源，并且已经集中于改善技术上的技能以研究和开发能量工业上的进步。

由于缺乏天然资源而进口大多数的用于能源的原材料的韩国急切地要求开发和使用能够改善能量利用效率且解决污染问题的新型技术。从2000年以来由于耗电量显著地增加，这是特别真实的。此外，已经存在对大容量发电站的庞大的投资和开发。

由于当前油价快速上升以及由联合国框架公约针对气候变化提出的环境规章，可替换的能量的重要性已经上升，因此作为可替换的下一代电力能源的燃料电池正吸引越来越多的关注。燃料电池是一类将燃料的化学能直接地转变为电能的直流发电机，并且不同于其他的发电机其对卡诺循环没有限制，因此相对于其他的发电机具有更高的能量效率且减少噪音、震动和排气问题。

此外，可以提供燃料电池用于连续地发电，只要连续地供给燃料和氧化剂，然而一次电池和二次电池存储和供给受限的能量。取决于电解质和驱动温度，将燃料电池划分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等。

在燃料电池之中，由于相对于其他高温燃料电池的低操作温度，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)提供迅速的启动(start-up)，使用固体电解质可以易于将其制造且其提供高的电力，因此作为用于电动机、住宅等的用于分布和分散电力供给的能源而受到更多的关注。

如在图1中示出的，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)是基于这种原理，其中在通过电解质布置的阳极和阴极中，由在阳极的氢的氧化产生的氢离子与在阴极的氧反应以产生水，导致发电。

一种目前使用的燃料电池聚合物电解质膜是基于全氟磺酸的Nafion，其是昂贵的且具有降低的氢离子传导性以及由于膜在80℃或更高下水合其电池功能快速地劣化。

因此，使用湿度体系的PEMFC涉及由于低操作温度劣化的电极活性和由一氧化碳(CO)引起的严重毒性。此外，需要用于水控制(water management)以施加湿度至膜的另外设施，其导致燃料电池的效率劣化以及价格增加，因此是燃料电池商业化的首要障碍。

在解决这些问题的尝试中，已经使用甚至在高温无湿度(非水性)的环境下具有优异的氢离子传导性、电化学稳定性和热稳定性的材料作为用于燃料电池的聚合物电解质。这类材料中，磷酸掺杂的聚苯并咪唑类聚合物电解质的使用已经变得更普遍(日本专利公开公布第2000-195528号)。然而，当使用这种电解质时，由在阴极产生的水释放磷酸，并且在电解质膜上的氢离子传导性降低。

因此，已经进行研究新颖的途径以使用非水性聚合物电解质来降低聚合物电解质膜的成本，并且改善高温稳定性、水合稳定性和电化学特性。