新的金属(Ⅲ)-铬-磷酸盐配合物及其用途制造技术

本发明专利技术公开了一种由通式Ｍ（Ⅲ）↓［ｘ］Ｃｒ（ＨＰＯ↓［４］）↓［ｙ］（Ｈ↓［２］ＰＯ↓［４］）↓［ｚ］表示的金属（Ⅲ）－铬－磷酸盐配合物及其用途。更具体而言，本发明专利技术公开了包含所述配合物的有机／无机复合电解质膜；包含所述配合物的电极；包括所述有机／无机复合电解质膜和／或电极的膜电极组件（ＭＥＡ）；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】
本专利技术涉及一种由通式M(III)x Cr(HPO4)y(H2PO4)z表示的金属(III)-铬-磷酸盐(在下文中有时称“MCP”)配合物及其用途，且更具体而言，涉及包含所述配合物的有机/无机复合电解质膜；包含所述配合物的用于燃料电池的电极；包括所述有机/无机复合膜和/或所述电极的用于燃料电池的膜电极组件(MEA)；以及包括所述膜电极组件的燃料电池。
技术介绍
燃料电池是将燃料的化学能直接转化成电能的能量转化装置，并且由于高能效和如低污染物排放的环境友好的性质，已经被研究和开发作为下一代能源资源。使用氢作为燃料的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)可在宽温度范围中工作，因此具有无需冷却装置和可以简化密封件的优点。同样，其使用非加湿氢(non-humidified hydrogen)作为燃料，因此无需使用加湿器。另外，其可迅速驱动。由于这些优点，其作为汽车和家用能源装置受到了关注。此外，它是一种电流密度比如直接甲醇燃料电池的其它类型燃料电池的电流密度高的高输出燃料电池，可在宽温度范围中工作，并且具有结构简单和迅速起动和反应的特点。作为用于这种高温燃料电池的聚合物电解质膜，一般已知基于多唑的聚苯并咪唑的CelazoleTM。使用聚苯并咪唑聚合物电解质膜的燃料电池通常使用非加湿氢作为燃料在高于100℃、特别120℃的温度下驱-->动。因此，如上所述，其具有如下优点：无需冷却装置、简化密封件、排除了加湿器的使用以及增强了膜电极组件(MEA)中存在的基于贵金属的催化剂的活性。通常，当使用处理后的如天然气的烃化合物作为燃料时，在处理后的气体中包含大量一氧化碳。因此，当通过后处理或纯化步骤没有除去处理气体中的一氧化碳时，它将使催化剂中毒，导致燃料电池的性能明显下降。然而，使用基于多唑的聚合物电解质膜的燃料电池可在高温下驱动，以使由一氧化碳引起的催化剂中毒减到最小。因此，在该燃料电池中，允许高浓度一氧化碳杂质。尽管已知许多优点，聚苯并咪唑(PBI)，一种多唑聚合物(polyazolepolymer)，显示了比目前商业化高氟化树脂(NafionTM)的氢离子电导率(10-1S/cm)低的氢离子电导率。为了增加聚苯并咪唑的氢离子电导率，通过向聚苯并咪唑中加入高氢离子电导率的无机金属材料以制备复合电解质膜的研究正在积极的进行中。其几种实例如下。P.Staiti等(Journal of Power Sources 2001，VoI 94，9)公开了一种向二甲基乙酰胺中的聚苯并咪唑溶液中加入杂多酸PWA(磷钨酸)/SiO2和SiWA(硅钨酸)/SiO2之后制备复合电解质膜的方法。然而，使用该方法制备的复合电解质膜在温度高于100℃、100％相对湿度条件中显示了约10-3S/cm的低氢离子电导率。该值不能满足燃料电池工作中所需的非加湿条件和氢离子电导率。同样，WO 2004/074179A1和N.J.Bjerrum等(Journal of MembraneScience 2003，Vol 226，169-184)公开了一种向二甲基乙酰胺中的聚苯并咪唑溶液中加入ZrP(磷酸锆)之后制备复合电解质膜的方法。使用该方-->法制备的复合电解质膜在140℃的温度、20％的相对湿度条件中显示了5×10-2S/cm的氢离子电导率，以及在5％的相对湿度条件和200℃的温度下显示了10-1S/cm的高氢离子电导率。然而，这些值不适合燃料电池所需的在宽温度范围和非加湿条件中应满足高氢电导率的性质。同样，包含加入至聚苯并咪唑中的PWA和SiWA的复合电解质膜在高于120℃的温度、5％的相对湿度条件中显示了比聚苯并咪唑电解质膜本身的氢离子电导率值稍微低的氢离子电导率值。此外，Y.Yamazaki等(Journal of Power Sources 2005，Vol.139，2-8)公开了一种向二甲基乙酰胺中的聚苯并咪唑溶液中加入三羧基丁烷磷酸锆之后制备复合电解质膜的方法。使用该方法制备的复合电解质膜在100％的相对湿度条件和80～200℃的相对宽温度范围内显示了10-2S/cm的稳定的氢离子电导率值，但是不能满足燃料电池工作中所需的非加湿条件。另外，J.A.Asensio等(Electrochimica Acta 2005，Vol 50，4715-4720)公开了一种向甲磺酸中的聚苯并咪唑溶液中加入磷钼酸(杂多酸)之后制备复合电解质膜的方法。该电解质膜在非加湿条件和120～200℃的相对宽温度范围内显示了10-2S/cm的稳定氢离子电导率值，但是该离子电导率值没有达到目前商业化基于Nafion的电解质膜的氢离子电导率(10-1S/cm)。此外，为了赋予高氢离子电导率，在所述文献中公开的有机/无机复合电解质膜需要单独的掺杂酸(磷酸、硫酸等)的后处理步骤，而形成的电解质膜在多唑聚合物、强酸和无机金属材料之间显示出非最优化的形态。因此，在高温下掺杂的强酸容易从电解质膜中分离，引起该膜的离子电导率随工作时间的流逝迅速下降。-->
技术实现思路
技术问题因此，本专利技术的目的是解决现有技术中出现的上述问题和现有技术中已经提出的技术问题。具体地，本专利技术的第一目的是提供一种新的金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物，所述金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物具有多种优点，例如，它在宽温度范围和非加湿条件下显示了高氢离子电导率。本专利技术的第二目的是提供一种有机/无机复合电解质膜，所述有机/无机复合电解质膜通过向作为基质成分的有机聚合物中加入所述MCP配合物而制备，所以其在包括高温的宽温度范围内和非加湿条件下显示了高氢离子电导率，其无需后处理步骤并且随工作时间的流逝其离子电导率显示了较低的下降。本专利技术的第三目的是提供一种用于燃料电池的电极，所述用于燃料电池的电极通过在气体扩散层上涂覆所述MCP配合物和基于贵金属的催化剂、粘合剂等而制备，所以其在包括高温的宽温度范围内和非加湿条件下显示了高氢离子电导率，同时显示了增强的催化剂活性。本专利技术的第四目的是提供一种至少包括所述有机/无机复合膜或电极的膜电极组件(MEA)。本专利技术的第五目的是提供一种包括所述膜电极组件的性能改进的燃料电池。技术方案-->为实现上述目的，本专利技术提供一种由以下通式(1)表示的金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物：M(III)xCr(HPO4)y(H2PO4)z    (1)其中，M为第IIIA族和/或第IIIB族金属；x为3n(n＝1或2)；y为3n′(n′＝0、1或2)；z为3n″(n″＝0、1或2)，n′和n″中至少之一不为零。根据另一技术方案，本专利技术提供一种有机/无机复合电解质膜，所述有机/无机复合电解质膜包含：有机聚合物；在所述有机聚合物的基质上分散的所述由通式(1)表示的金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物。根据又一技术方案，本专利技术提供一种包含所述由通式(1)表示的金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物的用于燃料电池的电极。根据又一技术方案，本专利技术提供一种用于燃料电池的膜电极组件(MEA)，所述用于燃料电池的膜电极组件包括阴极、阳极和设置在所述阴极与所述阳极之间的电解质膜，其中，(i)所述电解质膜为根据本专利技术所述的有机/无机复本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属（Ⅲ）－铬－磷酸盐（ＭＣＰ）配合物，其由如下通式（１）表示：　Ｍ（Ⅲ）↓［ｘ］Ｃｒ（ＨＰＯ↓［４］）↓［ｙ］（Ｈ↓［２］ＰＯ↓［４］）↓［ｚ］　（１）　其中，Ｍ为第ⅢＡ族和／或第ⅢＢ族金属；ｘ为３ｎ，ｎ＝１或２；ｙ为３ｎ′，ｎ′＝０、１或２；ｚ为３ｎ″，ｎ″＝０、１或２；ｎ′和ｎ″中至少之一不为零。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】KR 2005-12-27 10-2005-01304291、一种金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物，其由如下通式(1)表示：M(III)xCr(HPO4)y(H2PO4)z(1)其中，M为第IIIA族和/或第IIIB族金属；x为3n，n＝1或2；y为3n′，n′＝0、1或2；z为3n″，n″＝0、1或2；n′和n″中至少之一不为零。2、如权利要求1所述的MCP配合物，其中，通式(1)中的M为Al。3、如权利要求1所述的MCP配合物，该MCP配合物通过使(i)金属氢氧化物(M(OH)3)和/或金属氧化物(M2O3)和(ii)铬的氧化物(CrO3)与(iii)多磷酸反应而制备，其中所述多磷酸的通式为Hn+2PnO3n+1，n＝1或更大的整数。4、一种有机/无机复合电解质膜，其包含：有机聚合物；和在所述有机聚合物的基质上分散的由如下通式(1)表示的金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物：M(III)xCr(HPO4)y(H2PO4)z(1)其中，M为第IIIA族和/或第IIIB族金属；x为3n，n＝1或2；y为3n′，n′＝0、1或2；z为3n″，n″＝0、1或2；n′和n″中至少之一不为零。5、如权利要求4所述的有机/无机复合电解质膜，其中，所述有机聚合物为选自由PTFE(聚四氟乙烯)、PVDF(聚偏1，1-二氟乙烯)、Nafion聚合物、PA(聚酰胺)聚合物、PI(聚酰亚胺)聚合物、PVA(聚乙烯醇)聚合物、PAE(聚芳撑醚)聚合物和多唑聚合物组成的组中的至少一种。6、如权利要求4所述的有机/无机复合电解质膜，其中，所述有机聚合物包含选自由磺酸基、磷酸基、羟基和羧酸基组成的组中的至少一种氢离子交换基团。7、如权利要求4所述的有机/无机复合电解质膜，其中，基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：申程圭，元晶慧，李奉根，朴容秀，张宰赫，金东杓，
申请(专利权)人：LG化学株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]