用于燃料电池的聚合物膜及其制备方法技术

一种燃料电池的聚合物膜包括多孔聚合物基材，及具有质子导电官能团的交联聚合物层，所述交联聚合物层涂布在多孔聚合物基材的至少一侧。一种制备所述聚合物膜的方法，包括：（１）提供涂料组合物，所述涂料组合物包括具有质子导电官能团的单体或预聚物及交联催化剂；（２）将所述涂料组合物涂布在多孔聚合物基材的至少一侧；及（３）交联涂布在所述多孔聚合物基材上的单体或预聚物。

【技术实现步骤摘要】
用于燃料电池的聚合物膜及其制备方法                         
本专利技术涉及一种用于燃料电池的聚合物膜及其制备方法，更具体地，本专利技术涉及一种燃料电池的聚合物膜，所述聚合物膜能够节约成本，不用增湿器(或非增湿)运行，并具有改善的质子导电性(或渗透性)和机械强度，及其制备方法。                         
技术介绍
燃料电池是经氧与在碳氢化合物-基物质如甲醇，乙醇或天然气中的氢之间的电化学氧化还原反应产生电能的发电系统。依据所使用的电解液的种类，燃料电池可以分为磷酸型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型、聚合物电解液型或碱性燃料电池。虽然这些不同类型的燃料电池的每一个根据同样的基本原理运行，但是它们可能在下列方面彼此不同：燃料的种类、操作温度、催化剂和使用的电解液。最近，已经开发出聚合物电解液膜燃料电池(PEMFC)。PEMFC具有比常规燃料电池更好的功率特性，及更低的操作温度和更快的启动和反应特性。因此，PEMFC可以应用于各种各样的领域中，如汽车的可移动电源，分散电源如用于家庭和公共建筑，及电子装置的小电源。PEMFC基本上由电池组，重整器，燃料罐及燃料泵组成。电池组构成PEMFC的主体，而燃料泵将储存在燃料罐中的燃料提供给重整器。重整器重整燃料产生氢气，并将氢气提供给电池组。利用可以由PEMFC提供的动力，将储存在燃料罐中的燃料抽到重整器。然后，重整器重整燃料产生氢气，氢气在电池组中与氧发生电化学反应产生电能。作为选择，燃料电池可以包括直接甲醇燃料电池(DMFC)，其中将液体甲醇燃料直接引入电池组中。与PEMFC不同，DMFC不需要重整器。在上述的燃料电池系统中，发电的电池组的结构中，分别带有膜电极组件(MEA)和隔板(也称为“双极板”)的若干单元电池彼此邻近堆叠。MEA由被聚合物电解液膜分隔的阳极(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”)组成。图1为燃料电池1的运行状态示意图。燃料电池1包括阳极3，阴极5及聚合物电解液膜(或聚合物膜)7。如图1所示，当将燃料如氢气供应到阳极3时，就发生电化学氧化反应，电离和氧化燃料成质子(H+)和电子(e-)。聚合物电解液膜7把电离的质子渗透到阴极5，但是聚合物电解液膜7不渗透电子。电子经外电路(未示出)传递到阴极5。在阴极5上所传递的(或渗透的)质子(H+)与包含在氧化物质中的氧发生电化学反应，从而产生反应热和水。电子经外电路的移动产生电能。在燃料电池1中的化学反应可以由下面的反应表示：阳极反应：阴极反应：聚合物膜电极组件(MEA)由固体聚合物电解液膜(例如，图1的膜7)和包括担载在碳上的催化剂的电极层组成。可以使用全氟磺酸离子交联聚合物膜如Nafion(由DuPont生产)，Flemion(由Asahi Glass生产)，Asiplex(由Asahi Chemical生产)，和Dow XUS(由Dow Chemical生产)，制备聚合物电解液膜。可以使用防水的粘合剂，用担载研磨催化剂颗粒如铂(Pt)或钌(Ru)的炭粉末，粘合电极基材如多孔炭纸或炭布，制得包括担载在碳上的催化剂的电极层。常规的聚合物膜，如Nafion具有良好的质子导电性(或质子渗透性)，良好的耐蚀性，及良好的耐化学性，但是它们成本高，并可能使甲醇互串。而且，常规的聚合物膜需要单独的增湿器以增湿膜，因为经过膜渗透质子(H+)需要供应水。此外，常规的聚合物膜也有问题，因为当常规的聚合物膜在高温下运行时，所需要的水(水分)蒸发，因而使它们的质子导电性(或质子渗透性)恶化。                         
技术实现思路
本专利技术的实施方案提供一种用于燃料电池的聚合物膜，所述聚合物膜能够节约成本和不用增湿器(或非增湿)运行，并具有良好的质子导电性(或质子渗透性)和良好的机械强度，及其制备方法。另一个实施方案提供一种包括上述聚合物膜的燃料电池。本专利技术的实施方案提供一种用于燃料电池的聚合物膜。所述聚合物膜包-->括多孔聚合物基材，及在所述多孔聚合物基材上的交联聚合物层，所述交联聚合物层具有质子导电官能团。本专利技术的实施方案也提供一种制备用于燃料电池的聚合物膜的方法。该方法包括：(1)提供涂料组合物，所述涂料组合物包括交联催化剂和选自单体和预聚物的具有质子导电官能团的材料；(2)将所述涂料组合物涂布在多孔聚合物基材上；及(3)交联涂布在所述多孔基材上的材料，形成交联聚合物层。本专利技术的实施方案还提供一种燃料电池，所述燃料电池包括至少两个隔板和位于该至少两个隔板之间的膜电极组件。所述膜电极组件包括上述的聚合物膜。                         附图说明图1为包括聚合物膜的燃料电池的运行状态的剖面示意图；图2为根据本专利技术示例性实施方案的包括聚合物膜的膜电极组件的剖视图；及图3为根据本专利技术的实施例1和对比例1的单元电池的电压与电流密度特性图。                       具体实施方式本专利技术涉及一种用于燃料电池的聚合物膜，所述聚合物膜能够节约成本和空间，并能在非增湿下(即，不需要安装增湿器)运行；及其制备方法。本专利技术的实施方案用于燃料电池的聚合物膜包括多孔基材和具有质子导电官能团的交联聚合物层，所述交联聚合物层涂布在多孔聚合物基材的至少一个表面上。交联聚合物层的质子导电官能团包括磺酸基(SO3H)，羧酸基(COOH)，羟基(OH)和/或磷酸基。形成于聚合物层上的质子导电官能团电离，提供质子导电性(或渗透性)。多孔基材优选形成为多微孔薄膜或无纺布。所述多孔基材优选由具有高吸水性的任何聚合物构成。可以用于形成多孔基材的适宜的材料包括聚丙烯酸，聚乙烯醇，聚烯烃，聚酯，聚砜，聚酰亚胺，聚酯酰亚胺，聚酰胺，聚四氟乙烯，人造纤维，和/或玻璃纤维。这些材料中，优选聚丙烯酸和/或聚乙烯醇。-->交联聚合物层可以形成于多孔基材的一侧或两侧，或者它可以仅形成于与阳极层和/或催化剂层接触的区域。在一个实施方案中，将所述交联聚合物层涂布在阳极和/或阴极上。在一个实施方案中，涂布在(或接触)阳极上的交联聚合物层与涂布在(或接触)阴极上的交联聚合物相同或不同。多孔基材能保持聚合物膜的良好的机械强度，交联聚合物层可以改善聚合物膜的质子导电性(或渗透性)。交联聚合物层可以形成于多孔膜的全部表面区域上，或仅形成于聚合物膜与催化剂层接触的区域。基于100重量份的聚合物膜，交联聚合物层为0.01～98重量份。即，当交联聚合物层低于0.01重量份时，质子导电性(或渗透性)严重恶化。作为选择，当交联聚合物层大于98重量份时，聚合物膜太厚。所述多孔基材与交联聚合物层的厚度比优选为1∶0.01～1∶200，更优选为1∶0.01～1∶100。当厚度比在该范围内，聚合物膜会表现出良好的机械特性和良好的质子导电性(或渗透性)。通过交联具有质子导电官能团的单体或预聚物，形成交联聚合物层。即，所述聚合物层通过下列方法制得：(1)提供包括单体或预聚物和交联催化剂的组合物，所述组合物具有质子导电官能团；(2)将所述组合物涂布在多孔聚合物基材的至少一个表面；及(3)交联涂布在所述多孔聚合物基材上的单体或预聚物。所述单体或预聚物可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的聚合物膜，包括：多孔聚合物基材；及在所述多孔聚合物基材上的交联聚合物层，所述交联聚合物层具有质子导电官能团。

【技术特征摘要】
KR 2004-6-30 50760/041.一种用于燃料电池的聚合物膜，包括：多孔聚合物基材；及在所述多孔聚合物基材上的交联聚合物层，所述交联聚合物层具有质子导电官能团。2.根据权利要求1的用于燃料电池的聚合物膜，其中所述交联聚合物层包含选自下列的质子导电官能团：磺酸基(SO3H)，羧基(COOH)，羟基(OH)，磷酸基，及其组合。3.根据权利要求1的用于燃料电池的聚合物膜，其中，基于100重量份的聚合物膜，所述交联聚合物层为0.01～98重量份。4.根据权利要求1的用于燃料电池的聚合物膜，其中所述多孔基材与交联聚合物层的厚度比为1∶0.01～1∶200。5.根据权利要求1的用于燃料电池的聚合物膜，其中所述多孔基材为无纺布或多孔薄膜。6.根据权利要求1的用于燃料电池的聚合物膜，其中所述多孔基材包括选自下列的材料：炭纸，炭布，及炭毡。7.一种制备用于燃料电池的聚合物膜的方法，包括：提供涂料组合物，所述涂料组合物包括交联催化剂和具有质子导电官能团的聚合物前体材料；将所述涂料组合物涂布在多孔聚合物基材上；及交联所述多孔基材上的聚合物前体材料，形成交联聚合物层。8.根据权利要求7的方法，其中所述质子导电官能团选自磺酸基(SO3H)，羧基(COOH)，羟基(OH)，磷酸基，及其组合。9.根据权利要求7的方法，其中所述聚合物前体材料包括选自下列的化合物：环氧化物，尿烷，丙烯酸酯及甲基丙烯酸酯。10.根据权利要求7的方法，其中所述交联催化剂选自金属催化剂，过氧化物-基化合物，及偶...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢亨坤，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]