聚合物电解质膜，包括该聚合物电解质膜的膜电极组件和包括该膜电极组件的燃料电池制造技术

本发明专利技术提供聚合物电解质膜，包括该聚合物电解质膜的膜电极组件，以及包括该膜电极组件的燃料电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】聚合物电解质膜，包括该聚合物电解质膜的膜电极组件和包括该膜电极组件的燃料电池
本说明书要求2013年4月29日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2013-0047773、2013年5月2日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2013-0049424、2013年11月1日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2013-0132160，以及2013年11月26日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2013-0144440的优先权，这些专利申请全部内容通过引用包含在本文中。本说明书提供聚合物电解质膜，包括该聚合物电解质膜的膜电极组件，以及包括该膜电极组件的燃料电池。
技术介绍
燃料电池是高效率的发电装置，优势在于：由于与现有的内燃机相比效率高的缘故，燃料使用量低，并且它是不产生环境污染物例如SOx、NOx、VOC等的无污染能源。此外，其他优势在于生产设备所需占地面积小，建设周期短。因此，燃料电池具有多种应用，覆盖了例如便携式设备的移动电源、例如汽车的运输电源、以及家用和电力行业使用的分散发电。具体而言，当下一代交通工具燃料电池汽车的运行被商业化时，预期潜在市场规模是巨大的。根据操作温度和电解质，燃料电池大体被分为5种类型，具体地包括碱燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)。其中，具有优异迁移率的聚合物电解质膜燃料电池和直接甲醇燃料电池作为未来的电源受到广泛关注。聚合物电解质膜燃料电池的基本原理在于，气体扩散电极层位于聚合物电解质膜的两个表面上，并且通过将阳极朝向燃料电极和将阴极朝向氧化电极，通过凭借聚合物电解质膜的化学反应产生水，并且由此产生的反应能被转化为电能。离子导电聚合物电解质膜的典型实例可以包括Nafion，它是由美国Dupont在二十世纪六十年代早期开发的全氟化氢离子交换膜。除了Nafion之外，类似商业化的全氟化聚合物电解质膜包括由AsahiKaseiChemicalsCorporation生产的Aciplex-S膜、由DowChemicalCompany生产的Dow膜、由AsahiGlassCo.,Ltd.生产的Flemion膜等。现有的商业化全氟聚合物电解质膜具有耐化学性、抗氧化性，以及优异的离子导电性，但是具有价格昂贵和由于在制备过程中产生的中间产物的毒性而引起环境问题的缺点。因此，为了弥补这种全氟化聚合物电解质膜的缺点，已经研究了将羧基、磺酸基等引入芳环聚合物的聚合物电解质膜。其实例包括磺化聚芳醚砜[JournalofMembraneScience，1993,83,211]、磺化聚醚醚酮[日本专利申请特许公开No.H06-93114,美国专利No.5438082]，磺化聚酰亚胺[美国专利No.6245881]等。根据温度和水化度，聚合物电解质膜伴随15至30％的膜厚度和体积的变化，因此，电解质膜随着燃料电池的操作条件重复膨胀和收缩，并且由于这种体积变化而出现微孔或裂纹。此外，作为副反应，由阴极中氧气的还原反应产生过氧化氢(H2O2)或过氧化物自由基，这会引起电解质膜的降解。记住在燃料电池运行中会出现的这种现象，用于燃料电池的聚合物电解质膜已经朝着改善机械和化学耐久性的方向开发。已经进行的改善机械耐久性的研究，包括通过向e-PTFE中引入Nafion溶液(浓度为5重量％)制备的强化复合电解质膜(美国专利No.5547551)，以及向磺化烃类聚合物材料中引入具有优异尺寸稳定性的聚合物制备的聚合物共混复合膜(韩国专利No.10-0746339)等。此外，W.L.Gore&Associates引入以商品名GoreSelect被商业化的强化复合物电解质膜产品。在强化复合物电解质膜中，为了提供机械性能和尺寸稳定性，使用多孔支撑体。多孔支撑体需要维持机械耐久性同时不降低性能，因此，需要选择由具有高孔隙率和优异机械性能的合适材料制成的支撑体。此外，膜的离子导电率根据将离子导体浸入支撑体的方法和离子导体的类型有很大变化，因此，需要开发浸入离子导体的有效方法和适合强化复合电解质膜的离子导体。
技术实现思路
技术问题本说明书的一个目的是提供聚合物电解质膜，此外，还提供包括该聚合物电解质膜的膜电极组件，以及包括该膜电极组件的燃料电池。技术方案本说明书的一个实施方案提供一种聚合物电解质膜，包括含有离子迁移区和具有三维网络结构的支撑体的混合层，其中，所述离子迁移区具有两个以上包含烃类离子导电材料的单元三维接界的结构，并且RH循环极限为至少20,000个周期。本说明书的一个实施方案提供一种聚合物电解质膜，包括含有离子迁移区和具有三维网络结构的支撑体的混合层，其中，所述离子迁移区具有两个以上包含烃类离子导电材料的单元三维接界的结构，并且所述聚合物电解质膜的纵向(MD)的最大应力为200kgf/cm2以上。本说明书的一个实施方案提供一种聚合物电解质膜，包括含有离子迁移区和具有三维网络结构的支撑体的混合层，其中，所述离子迁移区具有两个以上包含烃类离子导电材料的单元三维接界的结构，并且所述聚合物电解质膜的纵向(MD)的垂直方向的最大应力为200kgf/cm2以上。本说明书的一个实施方案提供包括所述聚合物电解质膜的膜电极组件。本说明书的一个实施方案提供包括所述膜电极组件的燃料电池。有益效果根据本说明书的一个实施方案的聚合物电解质膜的优势在于具有优异的耐久性。具体而言，在燃料电池中使用包括根据本说明书的一个实施方案的聚合物电解质膜的膜电极组件可以有助于染料电池的性能提高。换句话讲，根据本说明书的一个实施方案的聚合物电解质膜使得在重复进行高温加湿和干燥而导致聚合物电解质膜重复收缩和膨胀的燃料电池工作环境中，燃料电池性能降低最小化，并且使燃料电池维持稳定的性能。附图说明图1和2为示出根据本说明书的一个实施方案的聚合物电解质膜的表面的一个区域的图；图3为示出根据本说明书的一个实施方案的聚合物电解质膜的截面的一个区域的图；图4为示出根据本说明书的一个实施方案的燃料电池的结构的图；图5示出根据本说明书的一个实施方案的聚合物电解质膜的表面单元的最大直径的测量结果；图6示出根据实施例和对比实施例的RH循环结果；图7示出根据试验实施例2制备的膜电极组件的电压随电流密度的变化。具体实施方式下文中，将更详细地描述本说明书。在本说明书中，一构件在另一构件件“之上”的描述不仅包括一构件邻接另一构件的情况，还包括又一构件存在于两构件之间的情况。在本说明书中，某一部分“包括”某些构成要素的描述意指还能包括其他构成要素，而不排除其他构成要素，除非特别地做出相反的声明。本说明书的一个实施方案提供一种聚合物电解质膜，包括含有离子迁移区和具有三维网络结构的支撑体的混合层，其中，所述离子迁移区具有两个以上包含烃类离子导电材料的电池三维接界的结构，并且RH循环极限为至少20,000个周期。根据本说明书的一个实施方案，所述聚合物电解质膜的RH循环极限可以为至少40,000个周期。另外，根据本说明书的一个实施方案，所述聚合物电解质膜的RH循环极限可以为至少50,000个周期。此外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜包括含有离子迁移区和具有三维网络结构的支撑体的混合层，其中，所述离子迁移区具有两个以上包含烃类离子导电材料的单元三维接界的结构，并且RH循环极限为至少20,000个周期。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.04.29 KR 10-2013-0047773;2013.05.02 KR 10-2011.一种聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜包括含有离子迁移区和具有三维网络结构的支撑体的混合层，其中，所述离子迁移区具有两个以上包含烃类离子导电材料的单元三维接界的结构，并且RH循环极限为至少20,000个周期，其中，相对于所述混合层的总体积，所述离子迁移区大于或等于40体积％且小于或等于85体积％，其中，所述单元的最大直径的平均值大于或等于0.25μm且小于或等于0.4μm，并且所述单元的最大直径的标准偏差大于或等于0.05μm且小于或等于0.2μm，其中，所述混合层在任何1μm3的范围内包括大于或等于10且小于或等于400个单元，其中，该聚合物电解质膜的总厚度大于或等于3μm且小于或等于36μm，所述聚合物电解质膜还包括位于所述混合层的上表面和下表面上只包含离子导电材料的纯层，位于混合层的上表面和下表面上的纯层之间的厚度差为混合层的厚度的50％以下。2.一种聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜包括含有离子迁移区和具有三维网络结构的支撑体的混合层，其中，所述离子迁移区具有两个以上包含烃类离子导电材料的单元三维接界的结构，并且所述聚合物电解质膜的纵向(MD)的最大应力为200kgf/cm2以上,其中，相对于所述混合层的总体积，所述离子迁移区大于或等于40体积％且小于或等于85体积％，其中，所述单元的最大直径的平均值大于或等于0.25μm且小于或等于0.4μm，并且所述单元的最大直径的标准偏差大于或等于0.05μm且小于或等于0.2μm，其中，所述混合层在任何1μm3的范围内包括大于或等于10且小于或等于400个单元，其中，该聚合物电解质膜的总厚度大于或等于3μm且小于或等于36μm，所述聚合物电解质膜还包括位于所述混合层的上表面和下表面上只包含离子导电材料的纯层，位于混合层的上表面和下表面上的纯层之间的厚度差为混合层的厚度的50％以下。3.一种聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜包括含有离子迁移区和具有三维网络结构的支撑体的混合层，其中，所述离子迁移区具有两个以上包含烃类离子导电材料的单元三维接界的结构，并且所述聚合物电解质膜的纵向(MD)的垂直方向的最大应力为200kgf/cm2以上，其中，相对于所述混合层的总体积，所述离子迁移区大于或等于40体积％且小于或等于85体积％，其中，所述单元的最大直径的平均值大于或等于0.25μm且小于或等于0.4μm，并且所述单元的最大直径的标准偏差大于或等于0.05μm且小于或等于0.2μm，其中，所述混合层在任何1μm3的范围内包括大于或等于10且小于或等于400个单元，其中，该聚合物电解质膜的总厚度大于或等于3μm且小于或等于36μm，所述聚合物电解质膜还包括位于所述混合层的上表面和下表面上只包含离子导电材料的纯层，位于混合层的上...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴永善，闵敏圭，金赫，崔盛皓，李祥雨，金度莹，
申请(专利权)人：LG化学株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR