CN109244513B - 燃料电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

燃料电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池及其制备方法。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。
本发明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。
根据本发明的一个方面，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。
根据本发明的另一方面，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。
本发明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发明的某些原理。
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是根据本发明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为示出根据本发明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为示出根据本发明示例性实施方案制备燃料电池的方法的流程图；
图5为示出根据本发明示例性实施方案制得的均匀导电聚合物膜的图；
图6为用于说明根据本发明示例性实施方案在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为示出根据本发明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发明基本原理的各个特征。在此所公开的本发明的特定的设计特征，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
现在将具体参考本发明的各个实施方案，在附图中和以下的描述中示出了这些实施方案的示例。虽然本发明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发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明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发明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发明的实施方案。提供以下实施方案以将本发明的精神完全传达给本发明所属领域的普通技术人员。本发明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发明的范围，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。
根据本发明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，根据本发明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，以均匀地分布反应性气体并转移在氧化还原反应期间产生的电子。
分隔板40用于移动反应气体和冷却水，并且在其中可以形成流动路径。分隔板40也用作集电器。在下文中，将更详细地描述这种燃料电池的运行原理。
参考图1，将氢气供应至阳极12，将氧气(空气)供应至阴极13。
在阳极12中，所供应的氢气借助于阳极12中的电极层中的催化剂分解成氢离子(质子，H+)和电子(电子，e-)。通过作为阳离子交换膜的聚合物电解质膜11使氢离子转移至阴极13，同时通过为导体的气体扩散层30和分隔板40使电子转移至阴极13。
在阴极13中，通过聚合物电解质膜11转移的氢离子和通过分隔板40转移的电子与在供应至阴极13的空气中的氧气相遇，从而通过催化反应产生水。在阳极12中形成的电子流过外部导线，从而产生电流。
这些多个单元电池串联连接以形成一个燃料电池堆，而该堆能够产生比一个单元电池更高的电压。
燃料电池是环境友好的并且具有高能量效率，但是它们具有使得自身难以商业化的问题。其中之一是通用碳基载体的腐蚀。
为了解决这个问题，已经研究了各种替代载体。除了电化学稳定之外，这些载体还必须具有高导电性和用于催化活性的广阔表面积。
同时，本发明的各个方面旨在提供以下的燃料电池以及制备该燃料电池的方法，所述燃料电池通过使用具有增大的表面积的导电聚合物载体作为燃料电池的电极而具有改进的性能。
下面将详细描述根据所公开的实施方案的燃料电池及其制备方法。
图2是根据本发明示例性实施方案的导电聚合物电极的横截面的概念图。图3是根据本发明示例性实施方案的导电聚合物电极的立体图。
如在图3中所示，该电极具有网状结构，其中孔垂直排列以使反应所需的材料(氢气，氧气)的移动效率最大化并且使电化学反应期间生成的水有效地排出，从而有效地用作构成燃料电池或电池阳极材料的载体。
以具有垂直排列的孔的网状结构制备电极，从而使得反应所需的材料(氢气，氧气)的移动效率最大化，并且使电化学反应期间产生的水有效地排出。因此，电极能够有效地用作构成燃料电池或电池阳极(正极)材料的载体。
此外，由于导电聚合物具有高于碳基载体(2至5S/cm)的高导电率(数十S/cm))，因此容易转移电子，从而有助于改进燃料电池的性能。特别地，在PEMFC运行条件下，导电聚合物在电化学上是非常稳定的，并由此能够通过有效地抑制常规碳基燃料电池载体中发生的腐蚀来极大地改进耐久性。
作为导电聚合物，可以使用PEDOT:PSS(聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐))(在下文中，简称为“PEDOT:PSS”)。
PEDOT:PSS作为可印刷电极材料引起了广泛的关注。具体地，自纯H2O中产生的PEDOT:PSS是热稳定的，并且能够容易地被旋转涂布，因此其加工性优异，并由此成为商业化的导电聚合物。
然而，导电聚合物的例子并不限于此，可以将选自聚苯胺、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)中的至少一种用作导电聚合物。
此外，为了将对水的稳定性赋予给导电聚合物电极，可以加入与导电聚合物交叉反应的PEO(聚环氧乙烷)。
另一方面，如果要使用的PEO的分子量低或含量不足，则不能确保在水中的稳定性，并且结构容易坍塌。
此外，如果PEO的含量过高，则因溶解度限制而使得PEO无法充分溶解，并由此不能产生随后描述的均匀膜。
在各种示例性实施方案中，导电聚合物可包含约0.1重量％至约1重量％(例如，约0.1重量％、约0.2重量％、约0.3重量％、约0.4重量％、约0.5重量％、约0.6重量％、约0.7重量％、约0.8重量％、约0.9重量％或约1重量％)的分子量为约1000kg/mol至约6000kg/mol(例如，约1000kg/mol、约2000kg/mol、约3000kg/mol、约4000kg/mol、约5000kg/mol或约6000kg/mol)的PEO。
此外，可以提供用导电聚合物电极材料制成的结构，该结构具有约50nm至约2μm(例如，约50nm、约100nm、约200nm、约300nm、约400nm、约500nm、约600nm、约700nm、约800nm、约900nm、约1μm、约1.1μm、约1.2μm、约1.3μm、约1.4μm、约1.5μm、约1.6μm、约1.7μm、约1.8μm、约1.9μm或约2.0μm)的周期，约20nm至约500nm(例如，约20nm、约40nm、约60nm、约80nm、约100nm、约150nm、约200nm、约250nm、约300nm、约350nm、约400nm、约450nm或约500nm)的通道直径，以及约0.2μm至约1.6μm(例如，约0.2μm、约0.3μm、约0.4μm、约0.5μm、约0.6μm、约0.7μm、约0.8μm、约0.9μm、约1.0μm、约1.1μm、约1.2μm、约1.3μm、约1.4μm、约1.5μm或约1.6μm)的深度。然而，该结构的周期、通道直径和深度并不限于上述范围。
在各种示例性实施方案中，用导电聚合物电极材料制成的载体的孔可以具有约0.5至3的纵横比，但是本发明不限于此。随后将描述与其相关的详细说明。
图4为根据实施方案制备燃料电池的方法的流程图。
参考图4，根据所公开的实施方案制备燃料电池的方法包括以下步骤：制备导电聚合物膜(步骤100)，处理导电聚合物膜(步骤110)，以及通过与聚合物电解质膜-电极组件(MEA)、分隔板等进行堆叠来形成单元电池(步骤120)。
在制备导电聚合物膜的步骤中，将约0.1重量％至约1重量％的分子量为约1000kg/mol至约6000kg/mol的PEO添加至导电聚合物，并进行混合直到其完全溶解。将PEO充分溶解于其中的共混溶液均匀地涂在硅基材上，然后进行旋转涂布以形成均匀膜。
为了改进导电性，这种导电聚合物可以经历使用无机酸如硫酸、盐酸和硝酸的酸处理过程。
此后，还可以包括干燥和热处理导电聚合物膜的步骤，以改进导电聚合物膜对水的稳定性。
在根据本发明示例性实施方案的处理导电聚合物膜的步骤中，将期望的金属沉积在掩模模板上以获得纳米线，然后通过用以制备网状图案的蚀刻掩模的纳米转移印刷工艺将纳米线通过模具印刷在导电聚合物膜上，而后通过经由使用等离子体对导电聚合物膜进行蚀刻来形成孔垂直排列于其中的纳米结构，制得能够改进反应所需材料(氢气，氧气)的移动速度的电极材料。
O2、Ar、N2、He、CF4、CHF3、C2F6、HF或SiF4可以用于等离子体蚀刻。此外，能够通过使用形成表面结构的方法中的任何一种(例如干蚀刻或湿蚀刻)或者通过混合两种或更多种方法来进行蚀刻。
在本发明的等离子体蚀刻过程中，能够通过调节偏置功率和蚀刻时间(等离子体照射时间)来控制高纵横比纳米结构的尺寸和形状。在这种情况中，作为标准，源功率为约100W，偏置功率为约80W，以及蚀刻时间为约120秒。在标准条件下，结构的蚀刻深度为约1μm。
当偏置功率与源功率相比较弱时，制得的结构是对称的，并且使该结构的壁蚀刻和坍塌。特别地，当在参考条件下源功率和偏置功率降到70W以下时，会发生这种过度的蚀刻。
此外，由于根据等离子体蚀刻时间的表面纳米结构的形成可以极大地影响燃料电池的性能，所以重要的是设定适当的时间来照射等离子体，并且优选地通过将时间设定在约50秒至约200秒(例如，约50秒、约75秒、约100秒、约150秒、约175秒或约200秒)内进行等离子体蚀刻。
如果蚀刻时间小于50秒，则蚀刻效果太低而无法清楚地形成纳米结构。如果蚀刻时间超过200秒，则由于过度的蚀刻难以控制期望的纳米结构表面形状，并且存在表面处理循环时间过长导致生产率降低的问题。
图11示出电极材料的壁结构由于过度的蚀刻而坍塌。
这种制备方法能够半永久地重复使用掩模模板，并且通过等离子体蚀刻来促进大面积的批量生产，从而改进工艺效率。
如上所述制得的电极材料与聚合物电解质膜-电极组件(MEA)、分隔板等堆叠以形成单元电池。当这样的电池重复堆叠时，能够制得聚合物电解质膜燃料电池。
在下文中，将更详细地描述本发明的实施方案。以下实施方案用于说明本公开，并且本公开的技术思想并不受这些实施方案的限制。
实施例
以下实施例说明本发明，并不旨在限制本发明。
[实施例1]
制备导电聚合物膜的步骤
每10g的PEDOT:PSS溶液(1.2重量％)加入0.03g的PEO(分子量：4000kg/mol)，并进行混合直到PEO完全溶解。将PEO充分溶解于其中的共混溶液均匀地分散在硅基材上，以800rpm的速度旋转涂布40秒，从而制得均匀膜。然后，将膜在80℃的热板上干燥。
所制膜的厚度为1μm，如在图5中所示。
接下来，将制得的膜在150℃真空烘箱中热处理6小时，以通过PEO与PSS之间的交联反应来增加PEDOT:PSS和PEO复合膜对水的稳定性。
处理导电聚合物膜的步骤
将掩模模板倾斜至72°，并使用电子束沉积方法将Cr沉积至3nm的厚度以获得纳米线。
使用纳米转移印刷工艺将纳米线转移到先前制备的导电聚合物膜上。接下来，将其上转移有纳米线的导电聚合物膜旋转90°，并通过重复纳米转移印刷工艺制得网状形状的蚀刻掩模。
此时，通过调节在金属沉积中使用的掩模模板的周期、宽度、沉积厚度等，能够根据期望的结构来改变纳米线的周期和宽度。
接下来，在O2等离子体气氛下使用100W的源功率和80W的偏置功率来对其上放置有网状形状的蚀刻掩模的导电聚合物蚀刻1μm，持续120秒，从而制得导电聚合物基电极材料，该电极材料具有如在图3中所示的垂直排列的孔。
[比较例1]
与上述[实施例1]中添加的PEO的分子量不同，分别加入400kg/mol和100kg/mol的PEO，其它条件与[实施例1]相同，并且将省略与[实施例1]重叠的描述。
图7至图10示出将电极浸入水中后的结构变化，以便测试根据本发明实施方案和比较例的孔垂直排列于其中的导电聚合物电极在水中的稳定性。
图7示出将在未向PEDOT:PSS溶液中添加PEO的情况下制得的电极材料浸入水中1小时之后的状态，而图8示出将通过向PEDOT:PSS溶液中加入0.3重量％的Mw为4000kg/mol的PEO而制得的电极材料浸入水中24小时之后的状态。
图9示出将通过向PEDOT:PSS溶液中加入0.3重量％的Mw为400kg/mol的PEO而制得的电极材料浸入水中6小时之后的状态，而图10示出将通过向PEDOT:PSS溶液中加入0.3重量％的Mw为100kg/mol的PEO而制得的电极材料浸入水中6之小时后的状态。
参考图8，当PEO的分子量为4000kg/mol或更高时，发挥出足够的效果。如果添加的PEO的分子量低于4000kg/mol或者含量小于0.3重量％，则如可在图7、图9和图10中所见，由于不能确保在水中的稳定性，所以结构易于坍塌。
从上文可以看出，所公开的实施方案能够提供包括具有网状结构的电极的燃料电池，所述网状结构用以使发生于燃料电池中的反应所需的材料(H2，O2)的移动速度增加。
此外，导电聚合物能够减少在燃料电池的起停过程中发生的催化剂载体腐蚀。
为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上部”、“下部”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“内部的”、“外部的”、“在里面”、“在外面”、“向内”、“向外”、“内部”、“外部”、“前面”、“后面”、“背部”、“向前”和“向后”是用于参考图中显示的这些特征的位置来描述示例性实施方案的特征。
已呈现的前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了例证和说明的目的。这些描述并非旨在穷尽本发明，或者将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多修改和变型。对示例性实施方案进行选择和描述是为了解释本发明的某些原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案以及它们的各种替换和修改。本发明的范围意在由所附的权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (13)

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，其中网状结构具有50nm至2μm的周期，20nm至500nm的通道直径，0.2μm至1.6μm的深度，以及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0.1重量％至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。
6.根据权利要求4所述的制备燃料电池的方法，其中制备导电聚合物膜的步骤包括：
制备包含导电聚合物和PEO的混合物；以及
旋转涂布所制得的混合物。
7.根据权利要求6所述的制备燃料电池的方法，其还包括酸处理。
8.根据权利要求6所述的制备燃料电池的方法，其中旋转涂布的步骤包括以800rpm的速度旋转涂布混合物40秒。
9.根据权利要求6所述的制备燃料电池的方法，其中制备导电聚合物膜的步骤还包括干燥和热处理，以改进导电聚合物膜对水的稳定性。
10.根据权利要求4所述的制备燃料电池的方法，其中处理导电聚合物膜的步骤包括：
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。
11.根据权利要求10所述的制备燃料电池的方法，其中处理导电聚合物膜的步骤还包括使用纳米转移印刷工艺制备网状类型的掩模。
12.根据权利要求10所述的制备燃料电池的方法，其中蚀刻导电聚合物膜的步骤包括用100W的源功率和70至80W的偏置功率蚀刻导电聚合物膜50至200秒。
13.根据权利要求4所述的制备燃料电池的方法，其还包括将经处理的导电聚合物电极安装在分隔板上。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200156964A1 (en) * 2019-01-25 2020-05-21 Eurica Califorrniaa Membrane-based processing for ambient water-group species captured on the Moon and in space
CN110828839B (zh) * 2019-10-30 2021-03-26 深圳氢时代新能源科技有限公司 一种燃料电池复合材料的制备、材料、双极板和燃料电池

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1674329A (zh) * 2005-02-21 2005-09-28 武汉理工大学 复合导电高聚物修饰一维纳米碳为载体的电催化剂及制备
CN1716670A (zh) * 2004-06-30 2006-01-04 三星Sdi株式会社 燃料电池的电解液膜及包括它的燃料电池
CN102208678A (zh) * 2011-04-19 2011-10-05 中南大学 一种安全型锂离子电池
CN103413950A (zh) * 2013-08-27 2013-11-27 武汉理工大学 具有纳米结构薄膜催化层的燃料电池芯片、膜电极及制备方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4012173B2 (ja) * 1999-06-07 2007-11-21 株式会社東芝 多孔質構造体の製造方法、多孔質構造体形成材料、パターン形成方法、パターン形成材料、電気化学セル、および中空糸フィルター
US7998638B2 (en) * 2004-11-03 2011-08-16 Samsung Sdi Co., Ltd. Electrode for fuel cell, and membrane-electrode assembly and fuel cell system comprising the same
KR100670857B1 (ko) 2005-10-27 2007-01-19 한국과학기술연구원 블록 공중합체 나노템플레이트를 이용하여 제조된 전도성고분자 나노 구조 광전 변환 소자 및 그의 제조 방법
KR100834008B1 (ko) 2006-12-20 2008-05-30 한국화학연구원 전도성 고분자에 담지된 금속 촉매 전극 및 이를 포함하는연료전지
KR100850482B1 (ko) 2007-03-29 2008-08-05 한양대학교 산학협력단 전도성 고분자 나노 구조물의 제조방법 및 이로써 제조된나노 구조물
EP2450907B1 (en) * 2010-11-05 2014-02-12 Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Alkaline single ion conductors with high conductivity and transference number and methods for preparing the same
KR101231761B1 (ko) 2010-12-29 2013-02-08 금호석유화학 주식회사 수직 배향된 번들 구조를 지닌 고전도성 탄소나노튜브 및 이를 이용한 고전도성 고분자 나노복합재 조성물
KR20130057546A (ko) 2011-11-24 2013-06-03 한국전기연구원 전도성고분자와 이종물질간 복합체의 3차원 미세와이어 제조 방법
DE102013014841A1 (de) * 2012-09-15 2014-03-20 Daimler Ag Auf einem leitfähigen Gitter geträgerte Elektrode für Brennstoffzellen
CN103441287B (zh) * 2013-08-09 2016-06-01 中国科学院上海高等研究院 一种直接甲醇燃料电池膜电极的制备方法
KR101865997B1 (ko) * 2015-07-24 2018-06-08 현대자동차주식회사 염료감응 태양전지용 집전극 보호막 및 이의 형성방법
KR102420013B1 (ko) * 2015-08-17 2022-07-12 삼성전자주식회사 금속 공기 전지 및 이에 구비된 기체 확산층

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1716670A (zh) * 2004-06-30 2006-01-04 三星Sdi株式会社 燃料电池的电解液膜及包括它的燃料电池
CN1674329A (zh) * 2005-02-21 2005-09-28 武汉理工大学 复合导电高聚物修饰一维纳米碳为载体的电催化剂及制备
CN102208678A (zh) * 2011-04-19 2011-10-05 中南大学 一种安全型锂离子电池
CN103413950A (zh) * 2013-08-27 2013-11-27 武汉理工大学 具有纳米结构薄膜催化层的燃料电池芯片、膜电极及制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
导电高分子负载贵金属燃料电池催化剂的研究进展;杜胜娟等;《化学推进剂与高分子材料》;20150630;第13卷(第3期);全文 *

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