燃料电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及燃料电池及其制备方法，其中所述燃料电池可包括：用于向燃料电池堆供应氢气的燃料供应单元，用于向燃料电池堆供应空气的空气供应单元，以及使用由燃料供应单元和空气供应单元供应的氢气和空气来产生能量的燃料电池堆；其中燃料电池堆具有网状结构并且包括含约0.1至1重量％的聚环氧乙烷(PEO)的导电聚合物电极，所述聚环氧乙烷具有约1000至6000kg/mol的分子量。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池及其制备方法
本专利技术涉及燃料电池及其制备方法。
技术介绍
燃料电池是通过燃料电池堆中的电化学反应将燃料(氢、甲醇、煤、天然气、石油等)的化学能直接转化为电能的装置。燃料电池技术具有比传统发电技术更高的发电效率。此外，燃料电池能够同时产生电力和热量，并同时减少污染物的排放。
技术实现思路
本专利技术提供一种燃料电池以及制备该燃料电池的方法，所述燃料电池包括具有以网状形式排列的孔的导电聚合物电极。本专利技术的其它方面将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地从描述中将是显而易见的，或者可以通过本公开的实践来了解。根据本专利技术的一个方面，在本文中提供一种燃料电池，其包括：用于向燃料电池堆供应氢气的燃料供应单元，用于向燃料电池堆供应空气的空气供应单元，以及使用由燃料供应单元和空气供应单元供应的氢气和空气来产生能量的燃料电池堆；其中所述燃料电池堆具有网状结构并且包括含约0.1至1重量％的聚环氧乙烷(PEO)的导电聚合物电极，所述聚环氧乙烷具有约1000至6000kg/mol的分子量。在各种示例性实施方案中，导电聚合物可以包含选自聚苯胺、聚(邻-甲氧基苯胺)、聚吡咯、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)、聚噻吩、聚(对-亚苯基)、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、聚(3-甲基噻吩)和聚(对-亚苯基亚乙烯基)(poly(p-phenylenevinylene))中的至少一种。在某些实施方案中，导电聚合物电极可以具有约50nm至约2μm的周期，约20nm至约500nm的通道直径，约0.2μm至约1.6μm的深度，以及约0.5至约3的纵横比。根据本专利技术的另一方面，在本文中提供一种制备燃料电池的方法，其包括以下步骤：使用含约0.1重量％至约1重量％的聚环氧乙烷(PEO)的导电聚合物混合物制备导电聚合物膜，所述聚环氧乙烷具有约1000至约6000kg/mol的分子量；以及处理导电聚合物膜以使得导电聚合物膜具有网状形状。此外，在这里描述的导电聚合物可以包含选自聚苯胺、聚(邻-甲氧基苯胺)、聚吡咯、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)、聚噻吩、聚(对-亚苯基)、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、聚(3-甲基噻吩)和聚(对-亚苯基亚乙烯基)中的至少一种。在某些实施方案中，制备导电聚合物膜的步骤可以包括制备包含导电聚合物和PEO的混合物，以及旋转涂布所制备的混合物。在特定的实施方案中，制备导电聚合物膜的步骤还可包括酸处理。在各种示例性实施方案中，旋转涂布的步骤可以包括以约800rpm的速度旋转涂布混合物约40秒。在各种示例性实施方案中，制备导电聚合物膜的步骤还可以包括干燥和热处理，以改进导电聚合物膜对水的稳定性。在某些实施方案中，处理导电聚合物膜的步骤可以包括在导电聚合物膜的一个表面上制备网状形状的掩模，以及对其上制备有掩模的导电聚合物膜进行蚀刻以产生网状形状的电极。在各种示例性实施方案中，处理导电聚合物膜的步骤还可以包括使用纳米转移印刷工艺制备网状类型的掩模。在一个实施方案中，蚀刻导电聚合物膜的步骤可以包括用约100W的源功率和约70至80W(例如，约70W、约71W、约72W、约73W、约74W、约75W、约76W、约77W、约78W、约79W或约80W)的偏置功率蚀刻导电聚合物膜约50至约200秒。在各种示例性实施方案中，制备燃料电池的方法还可以包括将经处理的导电聚合物电极安装在分隔板上。本专利技术的方法和燃料电池具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行更详细的陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本专利技术的某些原理。附图说明本公开的这些和/或其它方面将通过结合附图对实施方案进行以下描述而变得显而易见且更易于理解，在所述附图中：图1为示出燃料电池堆的单元电池结构的图，用以说明聚合物电解质膜燃料电池的发电原理；图2是根据本专利技术示例性实施方案的导电聚合物电极材料的结构示意图；图3为示出根据本专利技术示例性实施方案的导电聚合物电极材料的蚀刻过程和以网状形状制得的导电聚合物电极的图；图4为示出根据本专利技术示例性实施方案制备燃料电池的方法的流程图；图5为示出根据本专利技术示例性实施方案制得的均匀导电聚合物膜的图；图6为用于说明根据本专利技术示例性实施方案在PEDOT:PSS溶液的硫酸处理中的导电性改进效果的图；图7、图8、图9和图10为示出根据本专利技术示例性实施方案添加到PEDOT:PSS溶液中的PEO的分子量和含量与对水的稳定性之间的关系的图；以及图11为示出由于过度蚀刻而使得电极材料的壁表面结构被破坏的图。应当了解，附图并不必须是按比例绘制的，其示出了某种程度上简化表示的说明本专利技术基本原理的各个特征。在此所公开的本专利技术的特定的设计特征，包括例如特定的尺寸、取向、定位和形状，将部分地由特定目的的应用和使用环境所确定。具体实施方式现在将具体参考本专利技术的各个实施方案，在附图中和以下的描述中示出了这些实施方案的示例。虽然本专利技术与示例性实施方案相结合进行描述，但是应当了解，本说明书并非旨在将本专利技术限制为那些示例性实施方案。相反，本专利技术旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本专利技术的精神和范围之内的各种替换、修改、等同形式以及其它实施方案。在下文中，将参考附图详细描述本专利技术的实施方案。提供以下实施方案以将本专利技术的精神完全传达给本专利技术所属领域的普通技术人员。本专利技术不限于在本文所示的实施方案，而是可以以其它形式实施。附图并不旨在以任何方式限制本专利技术的范围，并且为了说明的清楚性，部件的尺寸可以被放大。在下文中，将参考附图来描述燃料电池及其制备方法。根据本专利技术示例性实施方案的燃料电池包括燃料供应单元、空气供应单元以及燃料电池堆。燃料供应单元将氢气供应至燃料电池堆，而空气供应单元将空气供应至燃料电池堆。燃料供应单元和空气供应单元的构造可以包括本领域普通技术人员能够采用的在能将氢气(H2)和氧气(O2)供应至燃料电池堆的范围内的构造。燃料电池堆利用上述氢气和空气(具体地，包含在空气中的氧气)的氧化还原反应来产生能量。换言之，燃料电池堆能够利用由氢气的氧化反应和氧气的还原反应产生的电流作为能量。水可以在氢气的氧化和氧气的还原中作为副产物产生。在下文中，将更详细地描述燃料电池堆的构造。燃料电池堆可以具有其中使包括膜电极组件(MEA)、气体扩散层(GDL)和双极板的单元电池堆叠的结构。单元电池串联连接以构成一个燃料电池堆。图1为示出聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)堆的单元电池结构的图。参考图1，根据本专利技术示例性实施方案的燃料电池堆的单元电池可以包括膜电极组件(MEA)10，与膜电极组件10相邻设置的水电解层20，以及与每个水电解层20相邻设置的气体扩散层30。更具体地，单元电池可以具有以下的结构：其中在中心处的膜电极组件10的左侧和右侧上都依次堆叠有水电解层20、气体扩散层30和分隔板40。膜电极组件10在聚合物电解质膜11的相对两侧上设置有阳极12和阴极13。换言之，阳极12和阴极13两个电极与聚合物电解质膜11整体地形成于膜电极组件10中，所述膜电极组件10的结构和性能在聚合物电解质燃料电池中起着核心作用。气体扩散层30设置在分隔板40与电极之间，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池，其包括：用于向燃料电池堆供应氢气的燃料供应单元；用于向燃料电池堆供应空气的空气供应单元；以及使用由燃料供应单元和空气供应单元供应的氢气和空气来产生能量的燃料电池堆，其中燃料电池堆具有网状结构并且包括含约0.1至1重量％的聚环氧乙烷PEO的导电聚合物电极，所述聚环氧乙烷具有约1000至6000kg/mol的分子量。

【技术特征摘要】
2017.07.10 KR 10-2017-00870821.一种燃料电池，其包括：用于向燃料电池堆供应氢气的燃料供应单元；用于向燃料电池堆供应空气的空气供应单元；以及使用由燃料供应单元和空气供应单元供应的氢气和空气来产生能量的燃料电池堆，其中燃料电池堆具有网状结构并且包括含约0.1至1重量％的聚环氧乙烷PEO的导电聚合物电极，所述聚环氧乙烷具有约1000至6000kg/mol的分子量。2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中导电聚合物包含选自聚苯胺、聚(邻-甲氧基苯胺)、聚吡咯、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)、聚噻吩、聚(对-亚苯基)、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、聚(3-甲基噻吩)和聚(对-亚苯基亚乙烯基)中的至少一种。3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中导电聚合物电极具有约50nm至2μm的周期，约20nm至500nm的通道直径，约0.2μm至1.6μm的深度，以及约0.5至3的纵横比。4.一种制备燃料电池的方法，其包括以下步骤：使用含约0.1重量％至约1重量％的聚环氧乙烷PEO的导电聚合物混合物制备导电聚合物膜，所述聚环氧乙烷具有约1000至6000kg/mol的分子量；以及处理导电聚合物膜以使得导电聚合物膜具有网状形状。5.根据权利要求4所述的制备燃料电池的方法，其中导电聚合物包含选自聚苯...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋愈正，金元中，全基雄，郑连植，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社，起亚自动车株式会社，韩国科学技术院，
类型：发明
国别省市：韩国,KR