聚合物电解质膜、包括聚合物电解质膜的膜电极组合件及包括膜电极组合件的燃料电池制造技术

本说明书提供了聚合物电解质膜、包括所述聚合物电解质膜的膜电极组件以及包括所述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】
本说明书要求于2013年11月26日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2013-0144444号的优先权和权益，其全部内容均通过引用并入。本说明书提供了聚合物电解质膜、包括所述聚合物电解质膜的膜电极组合件以及包括所述膜电极组合件的燃料电池。
技术介绍
燃料电池是一种高效的发电装置，并且优势在于：与现有的内燃机相比由于效率高而燃料用量较低，并且其为不产生环境污染物(例如Sox、NOx和VOC)的无污染能源。此外，另外的优势在于：生产设施所需的位置区域较小并且施工期短。因此，燃料电池具有多种应用，覆盖移动电源(例如便携式装置)、运输工具电源(例如车辆)以及可用于家庭和电力工业的分散式发电。特别地，当燃料电池车辆(下一代运输装置)的运行商业化时，预期潜在的市场规模是广泛的。燃料电池根据工作温度和电解质大体分为5种类型，其具体包括碱性燃料电池(alkali fuel cell，AFC)、磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cell，MCFC)、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)、聚电解质燃料电池(polyelectrolyte fuel cell，PEMFC)和直接甲醇燃料电池(direct methanolfuel cell，DMFC)。其中，具有优异迁移率的聚合物电解质燃料电池和直接甲醇燃料电池作为未来电源已受到广泛关注。聚合物电解质燃料电池具有这样的基本原理：在聚合物电解质膜的两个表面上布置气体扩散电极层，通过使阳极朝向燃料电极和使阴极朝向氧化电极经由通过聚合物电解质膜的化学反应而产生水，并且由此产生的反应能被转化为电能。离子传导聚合物电解质膜的典型实例可包括Nafion，其为由DupontUSA于20世纪60年代早期开发的全氟化氢离子交换膜。除Nafion之外的类似商业化全氟化聚合物电解质膜包括由Asahi Kasei ChemicalsCorporation制造的Aciplex-S膜、由Dow Chemical Company制造的Dow膜、由Asahi Glass Co.，Ltd.制造的Flemion膜，等。现有的商业化全氟化聚合物电解质膜具有抗化学性、抗氧化性和优异的离子传导性，但是具有高成本的问题并且由于在制造期间产生的中间体的毒性而导致环境问题。因此，已研究了其中向芳环聚合物引入羧基、磺酸基团等的聚合物电解质膜以补偿此类全氟化聚合物电解质膜的弱点。其实例包括磺化聚芳基醚砜[Journal of Membrane Science，1993，83，211]、磺化聚醚醚酮[日本专利申请特许公开第H06-93114号、美国专利第5,438,082号]、磺化聚酰亚胺[美国专利第6,245,881号]等。聚合物电解质膜根据水合的温度和程度伴随着膜厚度和体积之15％至30％的变化，因此该电解质膜根据燃料电池的工作条件而重复膨胀和收缩，并且由于这样的体积变化而出现微孔或裂缝。另外，作为副反应，由阴极中氧的还原反应生成过氧化氢(H2O2)或过氧化物自由基，其可导致电解质膜的降解。基于可在燃料电池工作期间发生的此现象，已在提高机械和化学耐用性的方向上开发了用于燃料电池的聚合物电解质膜。针对提高机械耐用性已进行的研究包括通过向e-PTFE引入Nafion溶液(5重量％浓度)而制备的强化型复合电解质膜(美国专利第5,547,551号)，和向磺化烃基聚合物材料引入具有优异尺寸稳定性的聚合物的聚合物共混型复合膜(韩国专利第10-0746339号)，等。另外，W.L.Gore&Associates推出了以商标名Gore Select商业化的强化型复合电解质膜产品。在强化型复合电解质膜中，使用了多孔支撑体以提供机械特性和尺寸稳定性。多孔支撑体需要维持机械耐用性而不降低性能，因此需要选择具有高孔隙率和优异机械特性的由合适材料制成的支撑体。另外，膜的离子传导性可根据将离子导体浸入到支撑体中的方法以及离子导体的类型而极大不同，因此需要开发浸渍离子导体的有效方法和适用于强化型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，并且另外提供包括所述聚合物电解质膜的膜电极组合件及包括所述膜电极组合件的燃料电池。技术方案本说明书的一个实施方案提供了包括混合层的聚合物电解质膜，所述混合层包括离子迁移区和具有三维网络结构的支撑体，其中所述离子迁移区具有其中两个或更多个含有第一离子传导聚合物的单元三维地邻接的结构，并且所述第一离子传导聚合物的离子交换容量(IEC)大于或等于1.7meq/g且小于或等于2.5meq/g。本说明书的另一个实施方案提供了包括所述聚合物电解质膜的膜电极组合件。本说明书的又一个实施方案提供了包括所述膜电极组合件的燃料电池。有益效果根据本说明书一个实施方案的聚合物电解质膜具有优异耐用性的优势。特别地，在燃料电池中使用包括根据本说明书一个实施方案的聚合物电解质膜的膜电极组合件可有助于燃料电池的性能增强。换言之，根据本说明书一个实施方案的聚合物电解质膜使燃料电池的性能下降最小化，并且使得燃料电池甚至在以下工作环境中仍维持稳定性能：燃料电池重复高温增湿和干燥从而导致聚合物电解质膜重复收缩和膨胀。另外，根据本说明书的聚合物电解质膜具有高离子传导性，同时具有优异的耐用性。换言之，根据本说明书的聚合物电解质膜使由包括支撑体而导致的离子传导性降低最小化，并且与无支撑体的情况相比具有同等水平的离子传导性。附图说明图1和2为示出了根据本说明书一个实施方案之聚合物电解质膜的表面的一个区域的图。图3为示出了根据本说明书一个实施方案之聚合物电解质膜的截面的一个区域的图。图4为示出了根据本说明书一个实施方案的燃料电池的结构的图。图5示出了根据实施例和比较例之聚合物电解质膜在100％相对湿度(RH)条件下取决于燃料电池中的电流密度的电压。图6示出了根据实施例和比较例之聚合物电解质膜在50％相对湿度(RH)条件下取决于燃料电池中的电流密度的电压。图7示出了根据实施例和比较例之聚合物电解质膜在32％相对湿度(RH)条件下取决于燃料电池中的电流密度的电压。具体实施方式在本说明书中，将一个构件放置于另一构件“之上”的描述不仅包括这个构件与该另一构件邻接的情况，而且包括这两个构件之间存在又一构件的情况。除非有具体相反说明，否则在本说明书中，某一部分“包括”某些构成部分的描述意指能够还包括其他构成部分，并且不排除其他构成部分。在下文，将更详细地描述本说明书。本说明书提供了包括混合层的聚合物电解质膜，所述混合层包括离子迁移区和具有三维网络结构的支撑体，其中所述离子迁移区具有其中两个或更多个含有第一离子传导聚合物的单元三维地邻接的结构，并且所述第一离子传导聚合物的离子交换容量(IEC)大于或等于1.7meq/g且小于或等于2.5meq/g。所述第一离子传导聚合物包含在离子迁移区中且由于高离子传导性而能够实现混合层中的平稳离子迁移，并且能够增强聚合物电解质膜的性能。根据本说明书的一个实施方案，所述混合层可通过将支撑体浸渍于第一传导聚合物中来形成。特别地本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括混合层的聚合物电解质膜，所述混合层包括离子迁移区和具有三维网络结构的支撑体，其中所述离子迁移区具有其中两个或更多个含有第一离子传导聚合物的单元三维地邻接的结构，以及所述第一离子传导聚合物的离子交换容量(IEC)大于或等于1.7meq/g且小于或等于2.5meq/g。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.26 KR 10-2013-01444441.一种包括混合层的聚合物电解质膜，所述混合层包括离子迁移区和具有三维网络结构的支撑体，其中所述离子迁移区具有其中两个或更多个含有第一离子传导聚合物的单元三维地邻接的结构，以及所述第一离子传导聚合物的离子交换容量(IEC)大于或等于1.7meq/g且小于或等于2.5meq/g。2.根据权利要求1所述的聚合物电解质膜，包括含有第二离子传导聚合物的纯层，所述纯层设置在所述混合层的上表面、或者下表面、或者上表面和下表面二者上，其中所述第二离子传导聚合物的离子交换容量(IEC)低于所述第一离子传导聚合物的离子交换容量(IEC)。3.根据权利要求2所述的聚合物电解质膜，其中所述第二离子传导聚合物的离子交换容量(IEC)比所述第一离子传导聚合物的离子交换容量(IEC)低0.2meq/g或更多。4.根据权利要求2所述的聚合物电解质膜，其中所述第二离子传导聚合物的离子交换容量(IEC)大于或等于0.9meq/g且小于或等于1.8meq/g。5.根据权利要求2所述的聚合物电解质膜，其中所述纯层还包括含有所述第一离子传导聚合物的附加纯层，所述附加纯层设置成邻接所述混合层。6.根据权利要求1所述的聚合物电解质膜，其中所述混合层的厚度大于或等于1μm且小于或等于30μm。7.根据权利要求2所述的聚合物电解质膜，其中所述纯层的厚度各自独立地大于0μm且小于或等于6μm。8.根据权利要求5所述的聚合物电解质膜，其中所述附加纯层的厚度大于0μm且小于或等于5μm。9.根据权利要求2所述的聚合物电解质膜，其中各自设置在所述混合层的上表面和下表面上的所述纯层之间的厚度差为所述混合层的厚度的50％或更小。10.根据权利要求2所述的聚合物电解质膜，其中所述混合层和全部纯层之间的厚度比为1∶0至1∶4。11.根据权利要求2所述的聚合物电解质膜，其中所述聚合物电解质膜的总厚度大于或等于3μm且小于或等于36μm。12.根据权利要求1所述的聚合物电解质膜，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按体积计40％且小于或等于按体积计85％。13.根据权利要求1所述的聚合物电解质膜，其中在与所述聚合物电解质膜的上表...

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