燃料电池及其制备方法技术

本申请涉及燃料电池及其制备方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池及其制备方法
本申请要求2013年11月1日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2013-0132401的优先权和权益，该专利申请的全部内容通过引用包含在本说明书中。本申请涉及一种燃料电池及其制备方法。
技术介绍
近来，已经预期现有能源例如石油或煤将被耗尽，因此对能够替代现有能源的能量的关注增加。燃料电池作为一种这样的替代性能量由于具有效率高、不排放例如NOx和SOx等污染物以及所用燃料丰富的优点而特别受到关注。燃料电池为燃料与氧化剂进行电化学反应来产生电能的装置。在所述燃料电池中，氢气用作燃料，氧气用作氧化剂，电极由在氢气氧化反应(HOR)中起到催化作用的阳极和在氧气还原反应(ORR)中起到催化作用的阴极组成。在燃料电池中，电极包含起到上述催化作用的催化剂，并且通常使用铂作为催化材料。然而，由于铂具有成本高以及杂质限度低的问题，已经进行大量研究以制备并使用提供优于纯铂的电化学活性和稳定性同时减小铂的使用量的催化剂。在上述研究中，主要提出了提高铂本身的活性或铂与过渡金属的合金型电极催化剂的方案，但是近来，对具有电化学活性和稳定性的纳米粒子结构类型，特别是中空纳米粒子的关注增加。合成中空金属纳米粒子的方法的实例包括在溶液中用还原剂还原金属离子的方法、使用伽马射线的方法、电化学方法等，但是在现有方法中，由于难以合成具有均匀尺寸和形状的纳米粒子或者使用有机溶剂，出现例如环境污染和成本高的问题的各种原因，因此难以经济性地进行高质量纳米粒子的大规模生产。此外，由于中空金属纳米粒子容易由热处理温度或反应温度而变得不稳定，所以很多情况下将中空金属纳米粒子分散在载体上来使用。因此，需要开发一种在载体上有效负载具有均匀尺寸的高质量中空金属纳米粒子的方法。
技术实现思路
技术问题本申请要解决的问题是提供一种燃料电池及其制备方法，该燃料电池包含具有均匀纳米尺寸的金属粒子负载在载体上的载体-中空金属纳米粒子复合物作为电极催化剂。本申请要解决的问题不局限于上述技术问题，并且本领域技术人员从下面的描述中可以清楚地理解其他未提及的技术问题。技术方案本申请的一个示例性实施方案提供一种燃料电池，该燃料电池包括：阴极；阳极；以及设置在所述阴极与所述阳极之间的电解质膜，其中，所述阴极和所述阳极中的至少一个包含中空金属纳米粒子负载在载体上的载体-中空金属纳米粒子复合物，所述中空金属纳米粒子包括：中空芯部分；壳部分，该壳部分包含第一金属和第二金属；以及空腔，该空腔在所述壳部分的一个或两个或更多个区域中，从该壳部分的外表面延伸至中空芯。本申请的另一示例性实施方案提供一种制备燃料电池的方法，该方法包括：制备电解质膜；在所述电解质膜的一个表面上形成阴极；以及在所述电解质膜的另一表面上形成阳极，其中，所述阴极和所述阳极中的至少一个包含中空金属纳米粒子负载在载体上的载体-中空金属纳米粒子复合物，所述中空金属纳米粒子包括：中空芯部分；壳部分，该壳部分包含第一金属和第二金属；以及空腔，该空腔在所述壳部分的一个或两个或更多个区域中，从该壳部分的外表面延伸至中空芯。有益效果在本申请的燃料电池中，至少一个电极包含载体-中空金属纳米粒子复合物，并且所述载体-中空金属纳米粒子为具有数纳米的均匀尺寸的中空金属纳米粒子负载在载体上的复合物，并且所述中空金属纳米粒子对载体的分散性和负载比优异，从而可以表现出优异的催化效果。此外，优点在于负载在载体上的中空金属纳米粒子包括空腔，并且即使是中空金属纳米粒子的内部表面积也可以通过空腔用作发生反应的接触面积，因此催化效率显著提高。附图说明图1示意性地示出了根据本申请的一个示例性实施方案制备载体-中空金属纳米粒子复合物的方法中通过表面活性剂在载体上形成胶束的图；图2至图5示出了由制备实施例1制备的载体-中空金属纳米粒子复合物的透射电镜(TEM)图像；图6和图7示出了由制备实施例2制备的载体-中空金属纳米粒子复合物的透射电镜(TEM)图像；图8示出了根据本申请的示例性实施方案的载体-中空金属纳米粒子复合物的透射电镜(TEM)图像；图9示出了现有载体-金属纳米粒子复合物的透射电镜(TEM)图像；图10示意性地示出了根据本申请的示例性实施方案的载体-中空金属纳米粒子复合物的结构；图11示意性地示出了燃料电池的电流产生原理；图12示意性地示出了根据本申请的示例性实施方案的燃料电池用膜电极组件的结构；图13示意性地示出了根据本申请的示例性实施方案的燃料电池。具体实施方式参照下面详细描述的实施方案和附图，本申请的优点和特征以及实现这些优点和特征的方法将会显而易见。然而，本申请并不局限于下述公开的示例性实施方案，而是可以以多种形式来实施。因此，此处引入的示例性实施方案用于使公开的内容变得透彻和完整并且向本领域普通技术人员充分说明本申请的精神，并且本申请仅由所附权利要求书的范围来限定。出于清楚描述的目的，附图中表示的组成要素的尺寸和相对尺寸可能被放大。除非另行定义，本申请中使用的所有术语(包括技术或科技术语)具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。此外，常用字典中定义的这些术语应该解释为具有与相关
的上下文意义相对应的含义，并且除非在本申请中清楚地定义，否则不应该解释为具有理想化或过度形式化的含义。下文中，将详细地描述本申请。本申请提供一种燃料电池，该燃料电池包括：阳极；阴极；以及设置在所述阴极与所述阳极之间的电解质膜，其中，所述阴极和所述阳极中的至少一个包含中空金属纳米粒子负载在载体上的载体-中空金属纳米粒子复合物，所述中空金属纳米粒子包括：中空芯部分；壳部分，该壳部分包含第一金属和第二金属；以及空腔，该空腔在所述壳部分的一个或两个或更多个区域从所述壳部分的外表面延伸至所述中空芯。本申请提供一种中空金属纳米粒子负载在载体上的载体-中空金属纳米粒子复合物，所述中空金属纳米粒子包括：中空芯部分；壳部分，该壳部分包含第一金属和第二金属；以及空腔，该空腔在所述壳部分的一个或两个或更多个区域从所述壳部分的外表面延伸至所述中空芯。根据本申请的一个示例性实施方案的燃料电池为阳极的催化层和阴极的催化层与电解质膜接触的类型，并且可以根据本领域已知的常规方法来制备。例如，所述燃料电池可以通过在阴极、阳极、以及阴极与阳极之间的电解质膜互相紧密接触的状态下在100℃至400℃下进行热压合来制备。所述阳极可以包括阳极催化层和阳极气体扩散层。所述阳极气体扩散层又可以包括阳极微孔层和阳极基材。所述阴极可以包括阴极催化层和阴极气体扩散层。所述阴极气体扩散层又可以包括阴极微孔层和阴极基材。图11示意性地示出了燃料电池的电流产生原理，在燃料电池中，产生电流的最基本单元为膜电极组件MEA，膜电极组件MEA由电解质膜M，以及在所述电解质膜M的两个表面上形成的阳极电极A和阴极电极C组成。参考示出了燃料电池的电流产生原理的图11，在阳极电极A中，发生燃料F例如氢气、甲醇或烃类例如丁烷的氧化反应，由此产生氢离子(H+)和电子(e-)，氢离子穿过电解质膜M到达阴极电极C。在阴极电极C中，通过电解质膜M迁移的氢离子、氧化剂O例如氧气，以及电子进行反应生成水W。电子通过这个反应移动至外电路。如上所述，膜电极组件MEA指发生燃料和空气的电化学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，该燃料电池包括：阴极；阳极；以及设置在所述阴极与所述阳极之间的电解质膜，其中，所述阴极和所述阳极中的至少一个包含中空金属纳米粒子负载在载体上的载体‑中空金属纳米粒子复合物，所述中空金属纳米粒子包括：中空芯部分；壳部分，该壳部分包含第一金属和第二金属；以及空腔，该空腔在所述壳部分的一个或两个或更多个区域中，从该壳部分的外表面延伸至中空芯。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.01 KR 10-2013-01324011.一种燃料电池，该燃料电池包括：阴极；阳极；以及设置在所述阴极与所述阳极之间的电解质膜，其中，所述阴极和所述阳极中的至少一个包含中空金属纳米粒子负载在载体上的载体-中空金属纳米粒子复合物，所述中空金属纳米粒子包括：中空芯部分；壳部分，该壳部分包含第一金属和第二金属；以及空腔，该空腔在所述壳部分的一个或两个或更多个区域中，从该壳部分的外表面延伸至中空芯，其中所述空腔的直径为所述中空金属纳米粒子的粒径的5％以上且为30％以下，和所述壳部分为单层，其中，所述中空芯部分包含第一表面活性剂和第二表面活性剂，其中，所述载体-中空金属纳米粒子复合物的制备包括：形成溶液，该溶液包含溶剂、在溶剂中提供第一金属离子或包含第一金属离子的原子团离子的第一金属盐、在溶剂中提供第二金属离子或包含第二金属离子的原子团离子的第二金属盐、在溶剂中形成胶束的第一表面活性剂，以及在溶剂中与第一表面活性剂一起形成胶束的第二表面活性剂；向所述溶液中加入载体，进行搅拌；以及向所述溶液中加入还原剂，在载体上形成中空金属纳米粒子，其中，在载体-中空金属纳米粒子复合物的制备方法中，调整第二表面活性剂的浓度、链长、外端尺寸或电荷种类以在壳部分的一个或两个或更多个区域中形成空腔。2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述中空金属纳米粒子包括一个空腔。3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述中空金属纳米粒子的粒径为1nm以上且为30nm以下。4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述中空金属纳米粒子具有球形的形状。5.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述壳部分的厚度为大于0nm且在5nm以下。6.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述中空金属纳米粒子的粒径在该中空金属纳米粒子的平均粒径的80％至120％的范围内。7.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述中空芯部分的体积为所述中空金属纳米粒子的体积的50体积％以上。8.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述壳部分的第一金属与第二金属的原子百分比为1:5至10:1。9.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述第一金属和所述第二金属各自独立地为选自属于周期表中第III族至第XV族的金属、准金属、镧系金属和锕系金属中的至少一种。10.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述第一金属和所述第二金属各自独立地为选自铂(Pt)、钌(Ru)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：金洸贤，黃教贤，金相勳，赵俊衍，
申请(专利权)人：LG化学株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR