本发明专利技术提供一种聚合物电解液膜及包括它的燃料电池。该聚合物电解液膜具有脂肪族烃取代的磷酸。该聚合物电解液膜具有优异的离子导电性、耐热性和液体保持性能。包括该聚合物电解液膜的燃料电池具有优异的性能。
【技术实现步骤摘要】
采用烷基磷酸的高温燃料电池
本专利技术涉及聚合物电解液膜和包括它的燃料电池，更具体地，本专利技术涉及利用脂肪族烃取代的磷酸形成的聚合物电解液膜，以获得良好的离子导电性、耐热性和液体保持性能。
技术介绍
燃料电池组构成产能系统，其中氧与烃基材料如甲醇、乙醇或天然气中所含的氢之间的化学反应能，直接转化成电能。依据所使用的电解液，燃料电池可分类为磷酸型燃料电池，熔融碳酸盐型燃料电池，固体氧化物型燃料电池，聚合物电解液膜燃料电池(PEMFC)，碱性燃料电池等。这些燃料电池根据相同的原理工作，但是具有不同的燃料、不同的工作温度、不同的催化剂、不同的电解液等。在这些燃料电池中，与其它燃料电池相比，PEMFC的能量输出性能更好，工作温度更低，启动更迅速，响应也更迅速。由于这些优点，PEMFC具有广泛的应用，包括用于汽车的便携式电源，用于家庭和公共建筑的独立电源，及用于电子设备的小型电源。通常，PEMFC包括聚合物电解液膜，其是由聚合物电解液如全氟磺化聚合物(例如Dupont公司制造的Nafion)构成的，该聚合物具有氟化亚烷基主链和以磺酸基封端的氟化乙烯基醚侧链。在这种情况下，值得注意的是，该聚合物电解液膜通过浸渍适量的水而获得高离子导电性。为了防止PEMFC的聚合物电解液膜干燥，常规的PEMFC在100℃或更低(如约80℃)的温度下工作。然而，这种100℃或更低的低温会导致下述问题。富氢气体是PEMFC的主要燃料，其可通过重整有机燃料如天然气或甲醇而得到。然而，这种情况下，富氢气体包含CO以及CO2副产物。CO使阴极和阳极中所包含的催化剂中毒。当催化剂被CO中毒时，其电化学活性显著降低，因而PEMFC的工作效率和寿命显著降低。特别值得注意的是，当PEMFC的工作温度较低时，催化剂更容易中毒。-->然而，当PEMFC的工作温度增加至约150℃或更高时，可以防止催化剂的CO中毒，而且更容易控制PEMFC的工作温度。结果，燃料重整器可以小型化，冷却装置可以简化，所以整个PEMFC产能系统可以小型化。然而，常规的电解液膜，即诸如具有氟化亚烷基主链和以磺酸基封端的氟化乙烯基醚侧链的全氟磺化聚合物等的聚合物电解液，却因为在上述高温下的水分蒸发而发生显著的性能降低。另外，含磺酸基的聚合物在约120℃或更高的温度下不能保持其原来的形状。结果，利用全氟磺化聚合物形成的聚合物电解液膜，不能在高温下用作电解液膜。为了解决该问题，正在积极地研究可以在高温下工作的非增湿型聚合物电解液，其主要是基于采用磷酸(H3PO4)作为质子导体的聚苯并咪唑(PBI)-磷酸体系。PBI-磷酸体系一般使用所谓的85％磷酸，其包含85％的正磷酸。然而，正磷酸溶解于氢离子和氧反应所产生的水，因而，电解液膜的离子导电性降低，而且当燃料电池长时间在高温下工作时，聚合物基质也溶解于磷酸中。换言之，当在高温下使用时，磷酸分子之间发生缩合反应，从而形成聚磷酸。所形成的聚磷酸降低离子导电性，并且溶解聚合物电解液膜。为了解决该问题，可以用苯基取代正磷酸(见US 6478987)。然而，这种情况下，磷酸的羟基的酸性降低，因而离子导电性降低。因此，仍需要研发具有如下性能的聚合物电解液膜：在高温下长时间保持聚合物电解液膜的耐热性，减少浸渍的磷酸泄漏的液体保持性能，及优异的离子导电性。
技术实现思路
本专利技术提供一种具有优异离子导电性、耐热性和液体保持性能的聚合物电解液膜。本专利技术还提供制备所述聚合物电解液膜的方法。本专利技术还提供包括所述聚合物电解液膜的膜电极组件。本专利技术还提供包括所述聚合物电解液膜的燃料电池。根据本专利技术的一个方面，提供一种聚合物电解液膜，其包括浸渍有磷酸的聚合物基质，其中一些磷酸具有一或两个被脂肪族烃取代的氢原子。根据本专利技术的另一方面，提供一种制备聚合物电解液膜的方法，该方法-->包括：通过混合一或两个氢原子被脂肪族烃取代的磷酸和正磷酸，制备混合的磷酸溶液；及将该混合的磷酸浸渍到聚合物基质中。根据本专利技术的又一方面，提供一种包括所述聚合物电解液膜的膜电极组件。根据本专利技术的再一方面，提供一种包括阴极、阳极及介于二者之间的聚合物电解液膜的燃料电池。 附图说明通过参照附图详述其示例性实施方案，本专利技术的上述及其它特征和优点将会更加清楚，在附图中：图1是实施例1和2以及对比例1的离子导电性相对于聚合物电解液膜的温度的曲线图；及图2是图示采用实施例1和2以及对比例1的聚合物电解液膜的单元电池的试验结果的曲线图。 具体实施方式本专利技术涉及聚合物电解液膜，其包含浸渍在聚合物基质中的磷酸。该磷酸的一或两个氢原子被脂肪族烃所取代。在该聚合物电解液膜中，磷酸浸渍到聚合物基质中，使得磷酸均匀地分布。用于形成聚合物电解液膜的聚合物基质，可以是质子导体能够均匀地分布于其中、并且能够在较宽温度范围被持久保持所分布的质子导体的任何聚合物。例如，该聚合物基质可以是聚苯并咪唑，但并不限于聚苯并咪唑。脂肪族烃可以是烷基，链烯基，炔基，或者烷氧基，但并不限于此。烷基可以被卤原子如氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)或碘(I)所取代，以具有优异的离子导电性。然而，烷基并不限于这些。在卤原子中，可以使用F，以提高离子导电性。根据本专利技术实施方案的聚合物电解液膜中所使用的磷酸，可以被脂肪族烃而不是芳环所取代。芳环是给电子基团，其降低邻近羟基的酸性，进而降低离子导电性。另一方面，卤原子是吸电子基团，其增加邻近羟基的酸性，进而提高质子导电性。另外，卤原子可以是F，其是电负性最高的元素。-->被脂肪族烃取代的磷酸可以液体形式，通过与正磷酸混合来使用，因为被脂肪族烃取代的磷酸在室温下以固体形式存在。被脂肪族烃取代的磷酸的量为0.1～40％重量，优选为5～25％重量，基于包括正磷酸在内的全部磷酸的重量。当被脂肪族烃取代的磷酸的量小于0.1％重量时，不能实现本专利技术的效果，如高离子导电性、耐久性和液体保持性能。另一方面，如果被脂肪族烃取代的磷酸的量大于40％重量，则磷酸会容易地变成固体，使得磷酸难于均匀地分布在基质聚合物中。被脂肪族烃取代的磷酸可以是商售磷酸，也可以根据用途直接制备。对制备磷酸的方法没有限制。被脂肪族烃取代的磷酸，可以按反应流程1所示，通过脂肪族烃的卤素盐与磷酸在烷基胺溶液中的反应来制备。作为选择，烃取代的磷酸，也可以按反应流程2所示，通过脂环烃的卤素盐与(EtO)2PONa于酸性溶液中的反应来制备。[反应流程1][反应流程2]现将说明含被脂肪族烃取代的磷酸的聚合物电解液膜的制备方法。首先，制备混合磷酸，使得被脂肪族烃取代的磷酸与正磷酸的重量比为0.1∶99.9-->至40∶60。然后，将混合磷酸溶液浸渍到聚合物基质中，使得被脂肪族烃取代的磷酸和正磷酸充分地渗透到基质中。浸渍温度可以为40～80℃。如果浸渍温度小于40℃，则混合磷酸溶液的粘度太高，难于将混合磷酸溶液浸渍到聚合物基质中。如果浸渍温度高于80℃，则过量的混合磷酸溶液浸渍到聚合物基质中，从而降低聚合物电解液膜的机械强度本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种聚合物电解液膜，其包括浸渍有磷酸的聚合物基质，其中一些磷酸具有一或两个被脂肪族烃取代的氢原子。
【技术特征摘要】
KR 2005-5-18 41654/051.一种聚合物电解液膜，其包括浸渍有磷酸的聚合物基质，其中一些磷酸具有一或两个被脂肪族烃取代的氢原子。2.根据权利要求1的聚合物电解液膜，其中所述脂肪族烃为烷基，链烯基，炔基，或者烷氧基。3.根据权利要求2的聚合物电解液膜，其中所述烷基被卤原子所取代。4.根据权利要求3的聚合物电解液膜，其中所述卤原子为氟。5.根据权利要求1的聚合物电解液膜，其中被脂肪族烃取代的磷酸的量为0.1～40％重量，基于包括正磷酸的全部磷酸。6.根据权利要求1的聚合物电解液膜，其中被脂肪族烃取代的磷酸的量为5.0～25.0％重量，基于包括正磷酸的全部磷酸。7.一种制备聚合物电解液膜的方法，该方法包括：通过混合一或两个氢原子被脂...
【专利技术属性】
技术研发人员：李斗渊，宣熙英，
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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