燃料电池用复合高分子电解质膜及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种燃料电池用复合高分子电解质膜及其制造方法。所述燃料电池用复合高分子电解质膜包括多孔性含氟高分子支撑体及填充所述多孔性含氟高分子支撑体的气孔内部且覆盖外部表面的全氟磺化高分子树脂膜。本发明专利技术的燃料电池用复合高分子电解质膜的氢离子交换特性高、透气性低、相对于厚度具有优异的机械强度、低廉且容易制造。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池用复合高分子电解质膜及其制造方法
本专利技术涉及一种燃料电池用复合高分子电解质膜及其制造方法，更具体地，本专利技术涉及用于高分子电解质燃料电池(PolymerElectrolyteMembraneFuelCell，PEMFC)的复合高分子电解质膜及其制造方法。[关于国家支援研究开发的说明]本研究是在韩国能源技术评价院的主管下基于韩国产业通商部的支援进行的，研究事业名称为新再生能源核心技术开发，研究课题名称为车辆燃料电池用全氟磺酸离聚物-聚四氟乙烯(以下称为“全氟磺酸离聚物-PTFE”)强化膜国产化(课题ID：1415146776)。并且，本研究是在韩国能源技术评价院的主管下基于韩国产业通商部的支援进行的，研究事业名称为新再生能源核心技术开发，研究课题名称为用于降低车辆燃料电池价格的非白金催化剂源泉技术开发(课题ID：20133010011320)。
技术介绍
高分子电解质燃料电池(PolymerElectrolyteMembraneFuelCell，PEMFC)是作为新一代能源受到广泛瞩目的一种燃料电池，是将具有氢离子交换特性的高分子膜作为电解质的燃料电池。这种高分子电解质燃料电池(PEMFC)为了提高初期性能及确保长期性能，不仅需要包括具有电子绝缘性，而且还需要具有氢离子导电性高、透气性低、机械强度和尺寸稳定性高等特性的高分子电解质膜。但是，为达到高机械强度而增加高分子电解质膜的厚度的情况下，该膜的电阻也相应增大，因此可能导致该膜的离子导电性下降。即，很难得到薄膜化使得离子导电性高的同时耐久性高的高分子电解质膜。并且，燃料电池驱动时该高分子电解质膜的亲水性区域内能够吸收大量的水，因此能够造成高分子电解质膜的离子导电性、机械强度及气障(GasBarrier)特性大幅下降，水化过程中发生的长度膨胀能够导致尺寸稳定性大幅下降。因此，越来越关注驱动燃料电池时不会因为水解、氧化还原反应等电化学压力(stress)而轻易分解且保持优异物性的高分子电解质膜。另外，由于性能优异，因此杜邦公司的全氟磺酸单一膜之类的全氟高分子电解质膜当前已商业化且应用最为广泛。尽管其具有优异的耐化学性、耐氧化性及离子导电性，但由于单价高且机械及形态稳定性低，因此日益需要具有上述优异特性且经济型的新型高分子电解质膜。【现有技术文献】【专利文献】美国授权专利第5,547,551号美国授权专利第6,156,451号
技术实现思路
技术问题本专利技术的一个目的是提供一种氢离子交换特性高、透气性低、相对于厚度具有优异的机械强度、低廉且容易制造的燃料电池用复合高分子电解质膜及其制造方法。技术方案根据用于达成本专利技术的一个目的的实施例的燃料电池用复合高分子电解质膜，包括多孔性含氟高分子支撑体及全氟磺化高分子树脂膜，其填充所述多孔性含氟高分子支撑体的气孔内部且覆盖外部表面。根据实施例，所述复合高分子电解质膜的厚度可以是0.1um以上且小于25um。根据实施例，所述多孔性含氟高分子支撑体包括聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)，可以通过丙酮、甲醇、乙醇、丙醇或过氧化氢处理而成。根据实施例，所述全氟磺化高分子树脂膜可包括全氟磺化离聚物(perfluorinatedsulfonicacidionomer，PFSA)。全氟磺化离聚物及所述多孔性含氟高分子支撑体可结合而复合化。根据实施例，所述复合高分子电解质膜的内部可以没有空隙(void)。根据实施例，所述复合高分子电解质膜可构成高分子电解质燃料电池(PolymerElectrolyteMembraneFuelCell，PEMFC)的膜电极接合体(membraneelectrodeassembly，MEA)。根据用于达成本专利技术的一个目的的实施例的燃料电池用复合高分子电解质膜的制造方法，对浸渍多孔性含氟高分子支撑体的全氟磺化高分子溶液实施离心分离工序使得所述多孔性含氟高分子支撑体的气孔内部填充全氟磺化高分子，外部表面形成全氟磺化高分子膜。根据实施例，所述离心分离工序可以以300至100,000rpm实施5分钟至60分钟。根据实施例，可以在实施离心分离工序之前用丙酮、甲醇、乙醇、丙醇或过氧化氢处理所述多孔性含氟高分子支撑体。技术效果本专利技术的燃料电池用复合高分子电解质膜的内部没有空隙(void)，而是具有均匀的组成及高的膜密度，因此能够相对于厚度具有非常优异的耐久性及性能。具体地，所述复合高分子电解质膜比现有的燃料电池用高分子电解质膜具有更高的氢离子交换特性、机械强度及尺寸稳定性，比现有的燃料电池用高分子电解质膜具有更高的透气性。并且，所述复合高分子电解质膜通过丙酮处理工序及离心分离工序制成，从而能够用最小化的工序及制造费用制成。即，能够降低由于使用复杂工序及/或大量高价原材料(全氟磺酸之类的全氟磺化高分子)而产生的制造成本，因此不仅容易制造、价格竞争力方面也能带来有益效果。因此，能够通过这种燃料电池用复合高分子电解质膜轻松地得到具有优异性能的膜电极接合体及含其的燃料电池。附图说明图1为显示本专利技术实施例的多孔性含氟高分子支撑体的剖面的剖面图；图2为显示本专利技术实施例的复合高分子电解质膜的剖面的剖面图；图3及图4为显示按照实施例制成的复合高分子电解质膜的表面及剖面的SEM照片。更具体来讲，图3a及图4a为显示浸渍前支撑体的上面、剖面的SEM照片，图3b、图3c分别为显示按照实施例制成的复合高分子电解质膜的上面及底面的SEM照片，图4b为显示按照实施例制成的复合高分子电解质膜的剖面的SEM照片；图5显示按照实施例制成的复合高分子电解质膜的剖面的能量分析光谱仪(energydispersivespectrometry，EDS)分析结果；图6为比较显示包括按照实施例制成的复合高分子电解质膜的单电池(singlecell)及包括按照比较例1至2制成的纯高分子电解质膜的单电池的性能的坐标图；图7显示对包括按照实施例制成的复合高分子电解质膜的单电池(singlecell)及包括按照比较例1至2制成的纯高分子电解质膜的单电池实施线性扫描伏安法(LinearSweepVoltammetry，LSV)及循环电压电流法(CyclicVoltammetry，CV)的结果。具体来讲，图7a为比较显示用线性扫描伏安法(LinearSweepVoltammetry，LSV)测定的所述单电池的氢交叉电流密度(H2crossovercurrentdensity)的曲线图，图7b为比较显示用循环电压电流法(CyclicVoltammetry，CV)测定的所述单电池的电化学活性面积的曲线图。附图标记说明10：多孔性含氟高分子支撑体15：多孔性含氟高分子支撑体的气孔20：全氟磺化高分子树脂膜100：复合高分子电解质膜具体实施方式以下参见附图具体说明本专利技术的优选实施例。本文中所公开的本专利技术的实施例只是以说明为目的而例示，本专利技术的实施例可以以多种形态实施，不得解释为限定于本文中所说明的实施例。应理解本专利技术可做多种变更，可具有多种形态，实施例并非用于将本专利技术限定于特定的公开形态，而是包括本专利技术思想及技术范围内的所有变更、均等物乃至替代物。本说明书所述的复合化或发生复合化是指两种以上的材料在物理及化学上形成不同的相(phase)的同时组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池用复合高分子电解质膜，包括：多孔性含氟高分子支撑体；及全氟磺化高分子树脂膜，其填充所述多孔性含氟高分子支撑体的气孔内部且覆盖外部表面。

【技术特征摘要】
2016.10.12 KR 10-2016-01322151.一种燃料电池用复合高分子电解质膜，包括：多孔性含氟高分子支撑体；及全氟磺化高分子树脂膜，其填充所述多孔性含氟高分子支撑体的气孔内部且覆盖外部表面。2.根据权利要求1所述的燃料电池用复合高分子电解质膜，其特征在于：所述复合高分子电解质膜的厚度为0.1um以上且小于25um。3.根据权利要求1所述的燃料电池用复合高分子电解质膜，其特征在于：所述多孔性含氟高分子支撑体包括聚四氟乙烯，通过丙酮、甲醇、乙醇、丙醇或过氧化氢处理而成。4.根据权利要求1所述的燃料电池用复合高分子电解质膜，其特征在于：所述全氟磺化高分子树脂膜包括全氟磺化离聚物，全氟磺化离聚物及所述多孔性含氟高分子支撑体结合而复合化。5.根据权利要求1所述的燃料电池用复...

【专利技术属性】
技术研发人员：金珍咏，赵仙熙，李韶荣，刘成钟，张钟贤，金亨俊，韩宗熙，南硕祐，林泰勋，
申请(专利权)人：韩国科学技术研究院，
类型：发明
国别省市：韩国,KR