[发明专利]包括有机官能性金属氧化物的电极及其制造方法，膜电极组件，以及包括该组件的燃料电池

说明书

本发明涉及一种包括有机官能性金属氧化物的电极及其制造方法，包括该电极的膜电极组件，以及包括所述膜电极组件的燃料电池，所述电极包括：载体；催化剂粒子，负载于所述载体；有机官能性金属氧化物纳米粒子，负载于所述载体；以及离聚物，位于所述载体表面。所述电极通过提升高电压区域内的催化剂性能以及耐久性，并增加催化剂利用率，并使催化剂均匀分散，使用较少量的催化剂，也能获取优秀的电流密度和电力密度，从而可以减少催化剂使用量以及费用，提升一般条件下的性能以及低加湿性能。

技术领域

本发明涉及一种包括有机官能性金属氧化物的电极及其制造方法，包括该电极的膜电极组件，以及包括所述膜电极组件的燃料电池，通过提升催化剂性能以及耐久性，并增加催化剂利用率，并使催化剂均匀分散，使用较少量的催化剂，也能获取优秀的电流密度和电力密度，从而可以减少催化剂使用量以及费用，提升一般条件下的性能以及低加湿性能的电极及其制造方法，包括该电极的膜电极组件，以及包括所述膜电极组件的燃料电池。

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，该单位电池由膜电极组件(Membrane Electrode Assembly，MEA)与隔板(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电路传递到还原极。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。

最近，因为与运输用燃料电池的要求事项的吻合，解决在高温以及低湿条件下运行的高分子电解质膜燃料电池的CO中毒问题，提升电化学反应性，简单化水和热管理结构，降低高分子电解质膜燃料电池的价格等可能性而受到瞩目。

但是，离聚物的质子传导率在低湿条件下，具有很大变化的特征。特别是，越是低当量(EW)的离聚物，其形状越深化。为了解决这种问题，将纳米大小的吸湿性金属氧化物粒子浸渍于催化剂层内，以便增加高分子基质内的含水量。吸湿性金属氧化物粒子的浸渍是通过将普通合成的吸湿性金属氧化物粒子分散在电极内分散而进行。但是，在这种情况下，不容易固定在电极内，单纯混合，导致运行中消失或凝聚。

发明内容

技术问题