本发明专利技术公开了一种用于燃料电池的膜电极组件，其包括相互面对的阳极和阴极，以及插入二者间的聚合物电解质膜。该聚合物电解质膜包括第一质子传导聚合物基板和布置在所述基板的至少一侧上的涂层。该涂层包括第二质子传导聚合物，并具有表面粗糙度。当用差示扫描量热计测量时，第一质子传导聚合物具有的吸热峰所在的温度范围比第二质子传导聚合物的吸热峰高。
【技术实现步骤摘要】
燃料电池用膜电极组件，其制备方法以及燃料电池系统
本专利技术涉及用于燃料电池的膜电极组件，制造该膜电极组件的方法，以及包括该膜电极组件的燃料电池系统。本专利技术具体涉及由于增加了聚合物电解质膜和催化剂层之间的反应表面积而改进了功率特性的膜电极组件。
技术介绍
燃料电池是采用烃类物质，通过氧化剂和氢的电化学氧化还原反应产生电能的发电系统，所述烃类物质例如甲醇、乙醇或天然气。这样的燃料电池是一种能替代化石燃料的清洁能源。它包括由单位电池组成的电池堆，并产生各种范围的功率。由于它具有比小型锂电池高四到十倍的能量密度，已重点用作小型便携能源。示例性的燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接氧化燃料电池(DOFC)。直接氧化燃料电池可以是以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池。聚合物电解质燃料电池虽然具有高能量密度的优点，但缺点在于需要由辅助设备生产挥发性的氢气，辅助设备例如用于重整甲烷或甲醇，天然气等的燃料重整处理器。相反，直接氧化燃料电池的能量密度比聚合物电解质燃料电池低，但是它的优点是采用不需额外的燃料重整器生产具有较少挥发性的燃料，并且由于其较低的操作温度因而可在室温下操作。在上述燃料电池系统中，发电的电池堆包括若干多层堆叠的单元电池。每个单元电池由膜电极组件(MEA)和隔板(也称为双极板)形成。膜电极组件具有阳极(也称为“燃料电极”或“氧化电极”)和阴极(也称为“空气电-->极”或“还原电极”)，该阳极和阴极由位于二者间的电解质膜而相互连接。燃料被提供到阳极并吸附在阳极催化剂上。该燃料在催化剂上被氧化以产生质子和电子。电子通过外部电路移动到阴极，质子则通过聚合物电解质膜移动到阴极。氧化剂被提供到阴极，然后氧化剂、质子和电子在阴极催化剂上反应产生电流和水。
技术实现思路
本专利技术的一个实施方式提供一种用于燃料电池的膜电极组件，该膜电极组件由于增加了聚合物电解质膜和催化剂层之间的反应表面积从而改进燃料电池的功率特性。本专利技术的另一个实施方式提供一种生产用于燃料电池的膜电极组件的方法。本专利技术的又一个实施方式提供一种包括用于燃料电池的膜电极组件的燃料电池系统。根据本专利技术的另一个实施方式，用于燃料电池的膜电极组件包括：阳极；与阳极面对的阴极；和插入阳极和阴极之间的聚合物电解质膜。该聚合物电解质膜包括第一质子传导聚合物基板和布置在所述基板的至少一侧的涂层。该涂层包括第二质子传导聚合物。该涂层可具有表面粗糙度。当用差示扫描量热计测量时，该第一质子传导聚合物具有的吸热峰所在的温度范围比第二质子传导聚合物高。第一质子传导聚合物在120到150℃的温度范围具有吸热峰，而第二质子传导聚合物在100到115℃的温度范围具有吸热峰。第一质子传导聚合物的平均分子量比第二质子传导聚合物高10到40％。所述基板和涂层厚度的比例为260∶1到25∶1。所述涂层的表面粗糙度从50nm到5μm。此外，它可被形成为具有预先确定的图案，并且还可形成在所述基板的两侧。-->根据本专利技术的另一个实施方式，提供一种制备用于燃料电池的膜电极组件的方法，该方法包括：制备第一质子传导聚合物基板；在该第一质子传导聚合物基板上形成包括第二质子传导聚合物的涂层；通过将具有表面粗糙度的金属薄膜与所述涂层装配到一起，然后压所述涂层和金属薄膜，从而形成表面粗糙度；从基板上除去该金属薄膜从而制备聚合物电解质膜；和将该聚合物电解质膜组装到阳极和阴极之间。该金属薄膜可包括选自由Al、Ni、Cu、Fe及其组合所组成组中的金属。该金属薄膜可具有通过选自如下的方法产生的表面粗糙度：采用酸溶液的蚀刻处理、阳极氧化、用具有预先确定的图案的塑料底板进行压制、等离子体处理、沙纸处理、喷沙处理及其组合。蚀刻可采用0.01到1N浓度的酸溶液。通过在涂层上以1000到3000kg/m2的压强压具有表面粗糙度的金属薄膜来形成具有表面粗糙度的涂层。该金属薄膜可用选自由盐酸、硫酸、硝酸、氟酸或氢氟酸及其混合物所组成组中的酸溶液处理而除去。根据本专利技术的又一个实施方式，提供一个燃料电池系统，该燃料电池系统包括：发电元件，该发电元件包括上述膜电极组件和设置在所述膜电极组件每一侧的隔板；向发电元件供给燃料的燃料供给装置；和向发电元件供给氧化剂的氧化剂供给装置。本专利技术另外的方面和/或优点将在下面的说明书部分描述，部分地将通过以下描述而显而易见，或者可通过实践本专利技术而明了。附图说明从以下结合附图对实施方式的描述，本专利技术的这些和/或其它方面及优点将变得明显和更容易理解，其中：图1是根据本专利技术实施方式的膜电极组件的剖面示意图。图2是根据本专利技术一个实施方式的燃料电池系统结构的示意图。-->图3是根据实施例1的第一质子传导聚合物的差示扫描量热计的测量图。图4是根据实施例1的第二质子传导聚合物的差示扫描量热计的测量图。图5是根据实施例1的膜电极组件截面的扫描电子显微镜(SEM)照片。图6是根据对比例1的膜电极组件截面的扫描电子显微镜(SEM)照片。图7是根据实施例1和对比例1的燃料电池的电压随电流密度变化的曲线图。图8是根据实施例1和对比例1的燃料电池的电功率随电流密度变化的曲线图。具体实施方式现在对本专利技术的实施方式进行详细说明，其中的实施例将结合附图进行说明，其中全文中相同的附图标记表示相同的元件。下面参考附图描述实施方式以解释本专利技术。燃料电池的膜电极组件包括聚合物电解质膜、阳极和阴极，聚合物电解质膜位于阳极和阴极之间。膜电极组件通过燃料的氧化和氧化剂的还原发电。当聚合物电解质膜与电极间具有优异的界面粘附性，并且在其界面上具有大的接触面积时，在膜电极组件上将活跃地发生发电反应。因此，为了增加聚合物电解质膜和电极间的接触面积，已建议在聚合物电解质膜上形成表面粗糙度。可通过诸如压所述的聚合物电解质膜等的物理方法形成表面粗糙度。然而，用这种方法制备的具有表面粗糙度的聚合物电解质膜当其吸收了燃料电池运行期间产生的水时可发生溶胀，这导致表面粗糙度变形或消失。但是根据本专利技术的一个实施方式，在基板上形成涂层，并采用金属薄膜在该涂层上形成微米级的精细的表面粗糙度，这样该涂层就不会由于聚合物电解质膜的溶胀而变形或破怀。因此，本专利技术的各方面可增加聚合物电解质-->膜和催化剂层间界面的粘附度和接触面积，从而改进燃料电池的功率特性。换句话说，根据本专利技术的实施方式，膜电极组件包括：第一质子传导聚合物基板；和在该第一质子传导聚合物基板的至少一侧上形成的涂层。该涂层包括第二质子传导聚合物。在此，该涂层具有表面粗糙度。该第一质子传导聚合物与第二质子传导聚合物相比在更高的温度范围具有一个吸热峰。图1是根据本专利技术实施方式的膜电极组件的剖面示意图。参考图1，用作用于燃料电池电极的膜电极组件112，包括聚合物电解质膜20和布置在聚合物电解质膜20两侧的电极30和30’。聚合物电解质膜20包括第一质子传导聚合物基板40和涂层60及60’。涂层60和60’布置在基板相对的侧面上，并包括第二质子传导聚合物。涂层60和60’具有表面粗糙度(未示出)，以增加它们与电极30和30’的反应表面积，并改进它们的功率特性。此外，电极30和30’包括电极基板50和50’，以及形成在其上的催化剂层70和70’。在聚合物电解质膜中的第一质子传导聚合物基板40通过将在阳极本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于燃料电池的膜电极组件，包括：阳极与阳极面对的阴极，和插入阳极和阴极之间的，具有第一吸热峰的聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜包括：第一质子传导聚合物基板；和涂层，该涂层布置在第一质子传导聚合物基板的至少一侧上，具有表面粗糙度，并包括具有第二吸热峰的第二质子传导聚合物，其中，当用差示扫描量热计测量时，第一吸热峰出现在比第二吸热峰高的温度范围中。
【技术特征摘要】
KR 2006-4-4 10-2006-00305271、一种用于燃料电池的膜电极组件，包括：阳极与阳极面对的阴极，和插入阳极和阴极之间的，具有第一吸热峰的聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜包括：第一质子传导聚合物基板；和涂层，该涂层布置在第一质子传导聚合物基板的至少一侧上，具有表面粗糙度，并包括具有第二吸热峰的第二质子传导聚合物，其中，当用差示扫描量热计测量时，第一吸热峰出现在比第二吸热峰高的温度范围中。2、根据权利要求1所述的膜电极组件，其中第一吸热峰出现在120到150℃的温度范围内，第二吸热峰出现在100到115℃的温度范围内。3、根据权利要求1所述的膜电极组件，其中第一质子传导聚合物的平均分子量比第二质子传导聚合物的高10到40％。4、根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述涂层的表面粗糙度为从50nm到5μm。5、根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述涂层具有图案。6、根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述涂层布置在所述基板的两侧。7、根据权利要求1所述的膜电极组件，其中第一质子传导聚合物基板包括含有阳离子交换基团的聚合物树脂，所述阳离子交换基团选自由磺酸基团、羧酸基团、磷酸基团、膦酸基团及其衍生物所组成的组中。8、根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述基板和涂层的厚度比为从260∶1到25∶1。9、根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述涂层的表面粗糙度与阳极-->和/或阴极接触。10、一种制备用于燃料电池的膜电极组件的方法，包括：制备第一质子传导聚合物基板；在第一质子传导聚合物基板上形成包括第二质子传导聚合物的涂层；通过将具有表面粗糙度的金属薄膜压在所述涂层上以形成表面粗糙度；从所述基板上除去金属薄膜以制备聚合物...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩相日，孙寅赫，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]
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