制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法和由其制造的用于燃料电池的聚合物电解质膜技术

本发明专利技术公开了制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法和由其制造的用于燃料电池的聚合物电解质膜，在所述方法中，连续设置或堆叠多个多孔增强薄膜和离聚物层。用于燃料电池的聚合物电解质膜包括多孔增强薄膜，从而具有优异的机械刚度和改进的物理耐久性。此外，用于燃料电池的聚合物电解质膜包括具有分解过氧化物的催化剂的离聚物层，所述离聚物层配置为阻断气体渗透，因此可以尽量减小由气体渗透造成的性能降低并防止短路，并且用于燃料电池的聚合物电解质膜能够容易地调节离聚物层在电解质膜厚度方向上的位置，从而可以有效地缓解气体渗透。解气体渗透。解气体渗透。

【技术实现步骤摘要】
制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法和由其制造的用于燃料电池的聚合物电解质膜


[0001]本专利技术涉及制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法和由其制造的用于燃料电池的聚合物电解质膜，所述聚合物电解质膜包括一个或多个增强薄膜，从而改善了机械刚度并缓解了化学降解。

技术介绍

[0002]作为车辆的燃料电池，目前最常用的是聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)。为了使聚合物电解质膜燃料电池在各种车辆行驶条件下正常地表现出几十千瓦或更高的高输出性能，聚合物电解质膜燃料电池必须在较宽的电流密度范围内稳定地运行。
[0003]聚合物电解质膜燃料电池已被用作通过堆叠单元电池而组装的电池堆，以满足所需要的输出水平。在单元电池中，在膜电极组件(MEA)的外表面(即阴极和阳极所在的MEA的外表面)上堆叠有气体扩散层(GDL)和垫圈，并且在GDL的外部设置有双极板(或隔板)，所述双极板中形成有流场以供应反应气体(作为燃料的氢气和作为氧化剂的氧气或空气)并使冷却水通过。堆叠数百个这样的单元电池，并将用于支撑单元电池的端板连接至电池堆的最外部。
[0004]在包括电解质膜和电极(即阳极和阴极)的MEA中发生电化学反应以产生燃料电池的电能。在燃料电池的电化学反应中，如反应式[1]所示，供应至燃料电池的阳极(氧化电极)的氢通过氢氧化反应(HOR)分解为质子和电子，然后质子穿过膜移动至阴极(还原电极)，电子通过外电路移动至阴极。如反应式[2]所示，质子和电子在阴极中通过氧还原反应(ORR)与从外部供应的氧气反应，从而产生电能和热能，同时产生副产物水。
[0005]H2→
2H
+
+2e-，E0＝0.000V(vs.SHE)
ꢀꢀꢀꢀ
[1][0006]1/2O2+2H
+
+2e-→
H2O，E0＝1.229V(vs.SHE)
ꢀꢀꢀꢀ
[2][0007]此处，E0为标准电极电势，SHE为标准氢电极。
[0008]燃料电池的表现出电化学性能的区域被大致分为三个区域，即：i)由电化学反应速率损失造成的活化损失区域，ii)由聚合物电解质膜中的离子电阻和各部分之间的界面处的接触电阻造成的欧姆损失区域，以及iii)由反应气体的有限质量传递能力造成的质量传递损失区域(也称为浓度损失区域)。
[0009]因此，一直在尝试减小电解质膜的厚度，从而减小膜的离子电阻并改善燃料电池的性能。聚合物电解质膜必须将供应至阳极的氢和供应至阴极的氧分开，但是，在较薄的电解质膜的情况下，可能会发生严重的气体渗透(气体穿过聚合物电解质膜并移动至相对的电极)。即可能会发生H2渗透(供应至阳极的氢渗透至阴极)或O2渗透(供应至阴极的氧渗透至阳极)。这种渗透促使在电解质膜中产生过氧化氢，并且过氧化氢会产生含氧自由基，例如羟自由基(
·
OH)和氢过氧自由基(
·
OOH)。这些自由基会攻击含氟磺酸基电解质膜，从而造成膜的化学降解，因此降低了燃料电池的耐久性。
[0010]由于较薄的电解质膜的机械刚度较差，因此当燃料电池长时间运行时，电解质膜
可能会损坏，从而造成严重的问题，例如单元电池的短路。然后燃料电池不能正常运行，因此发生故障。特别地，为了将水供应至燃料电池膜电极组件中的电解质膜的内部，必须进行加湿(也称为水合作用)。此外，由于燃料电池通常在60℃或更高的高温下运行，并且由于电化学反应产生的热量会反复进行脱水，因此在膜电极组件中会发生反复的干湿循环。在该干湿循环条件下，由于电解质膜的反复收缩和溶胀，可能会发生起皱变形，因此，为了保持燃料电池膜电极组件的耐久性，电解质膜的坚固性非常重要。
[0011]因此，如今需要研究可改善物理刚度或化学刚度并缓解化学降解的制造聚合物电解质膜的方法。

技术实现思路

[0012]在优选的方面中，提供了制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法和由其制造的用于燃料电池的聚合物电解质膜，所述聚合物电解质膜包括多个多孔增强薄膜。
[0013]在一个优选的方面中，制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法包括离聚物层，所述离聚物层包括分解过氧化物的催化剂，使得离聚物层的位置可调节，并且通过该方法可以制造用于燃料电池的聚合物电解质膜。
[0014]在一个优选的方面中，制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法使得在电解质膜两端提供的离聚物层包括玻璃化转变温度较低的离聚物，并且通过该方法可以制造用于燃料电池的聚合物电解质膜。
[0015]在本文中使用的术语“离聚物”表示包括连接(即共价结合)至聚合物主链的作为侧链基团的离子化基团的聚合物材料或树脂。优选地，这些离子化基团可以进行官能化以具有离子特性，例如，阳离子特性或阴离子特性。示例性离聚物可适当地包括选自氟类聚合物、全氟砜类聚合物、苯并咪唑类聚合物、聚酰亚胺类聚合物、聚醚酰亚胺类聚合物、聚苯硫醚类聚合物、聚砜类聚合物、聚醚砜类聚合物、聚醚酮类聚合物、聚醚-醚酮类聚合物、聚苯基喹喔啉类聚合物以及聚苯乙烯类聚合物的一种或多种聚合物。
[0016]在一个方面中，提供了制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法。所述方法可以包括通过施加第一离聚物分散体以形成第一离聚物层，在第一离聚物层上设置第一增强薄膜，通过将第二离聚物分散体施加至第一增强薄膜以形成第二离聚物层，在第二离聚物层上设置第二增强薄膜，通过将第三离聚物分散体施加至第二增强薄膜以形成第三离聚物层，从而形成包括第一离聚物层、第一增强薄膜、第二离聚物层、第二增强薄膜以及第三离聚物层的多层膜，以及干燥多层膜。
[0017]可以连续进行设置第一增强薄膜、形成第二离聚物层以及设置第二增强薄膜。
[0018]第一离聚物分散体、第二离聚物分散体和第三离聚物分散体各自的涂覆厚度可以为约20μm至500μm。
[0019]在干燥多层膜时，可以在约60℃至200℃的温度下干燥多层膜。
[0020]此外，在一个方面中，提供了用于燃料电池的聚合物电解质膜，所述聚合物电解质膜包括第一离聚物层、在第一离聚物层上设置的第一增强薄膜、在第一增强薄膜上设置的第二离聚物层、在第二离聚物层上设置的第二增强薄膜以及在第二增强薄膜上设置的第三离聚物层。
[0021]第二离聚物层可以包括分解过氧化物的催化剂。
[0022]分解过氧化物的催化剂可以包括选自催化金属和负载型催化剂的一种或多种，在负载型催化剂中，催化金属负载在碳类载体上。
[0023]可以通过控制第一增强薄膜和第二增强薄膜的厚度来调节第二离聚物层的位置。
[0024]通过控制厚度，可以使第二离聚物层位于产生过氧化物的区域中。
[0025]第一增强薄膜的厚度可以为约1μm至20μm，第二增强薄膜的厚度可以为约1μm至10μm。
[0026]第一增强薄膜可以位于靠近阳极的位置。
[0027]第一离聚物层、第二离聚物层和第三离聚物层各自的厚度可以为约1μm至50μm。
[0028]第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法，所述方法包括：通过施加第一离聚物分散体以形成第一离聚物层；在第一离聚物层上设置第一增强薄膜；通过将第二离聚物分散体施加至第一增强薄膜以形成第二离聚物层；在第二离聚物层上设置第二增强薄膜；通过将第三离聚物分散体施加至第二增强薄膜以形成第三离聚物层，从而形成包括第一离聚物层、第一增强薄膜、第二离聚物层、第二增强薄膜和第三离聚物层的多层膜；以及干燥多层膜。2.根据权利要求1所述的制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法，其中，连续进行设置第一增强薄膜、形成第二离聚物层以及设置第二增强薄膜。3.根据权利要求1所述的制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法，其中，所述第二离聚物层包括分解过氧化物的催化剂。4.根据权利要求3所述的制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法，其中，分解过氧化物的催化剂包括选自催化金属和负载型催化剂的一种或多种，在所述负载型催化剂中，催化金属负载在碳类载体上。5.根据权利要求1所述的制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法，其中，通过控制第一增强薄膜和第二增强薄膜的厚度来调节第二离聚物层的位置。6.根据权利要求5所述的制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法，其中，通过控制厚度，使第二离聚物层位于产生过氧化物的区域中。7.根据权利要求1所述的制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法，其中，第一增强薄膜的厚度为1μm至20μm，第二增强薄膜的厚度为1μm至10μm。8.根据权利要求1所述的制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法，其中，第一离聚物分散体、第二离聚物分散体和第三离聚物分散体各自的涂覆厚度为20μm至500μm。9.根据权利要求1所述的制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法，其中，第一增强薄膜和第二增强薄膜各自的孔隙率为50％至95％。10.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宗吉，金世勋，洪普基，
申请(专利权)人：起亚自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：