聚合物电解液以及使用该聚合物电解液的燃料电池制造技术

本发明专利技术提供一种聚合物电解液和使用该聚合物电解液的燃料电池。所述聚合物电解液包括（ａ）选自硅聚合物和聚乙烯亚胺的混合物，及含环氧基的三烷氧基硅烷和聚乙烯亚胺的交联反应产物中的至少一种复合物，其中所述硅聚合物是通过含环氧基的三烷氧基硅烷的水解缩聚反应而制得的；及（ｂ）杂多酸和三氟甲烷砜酰亚胺中的至少一种。使用该聚合物电解液制得的聚合物电解液膜在高温低湿下比Ｎａｆｉｏｎ电解液膜具有更高的离子电导率。另外，可以充分减少甲醇渗透，及由此导致的副作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种聚合物电解液以及使用该聚合物电解液的燃料电池，更具体地，本专利技术涉及一种用于形成聚合物电解液膜的聚合物电解液，该聚合物电解液膜即使在高温、低湿下仍具有优良的离子导电性并减少了甲醇渗透(crossover)。
技术介绍
燃料电池是电化学装置，其中诸如甲醇、乙醇和天然气的碳氢化合物中的氢和氧的化学能被直接转化为电能。因为该能量转化过程相当有效并且对环境有利，所以几十年来燃料电池已经引起大量关注，并且已经开发出各种燃料电池。按照使用的电解液，燃料电池可以分为磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、聚合物电解液膜燃料电池(PEMFC)和碱性燃料电池(AFC)等。虽然这些燃料电池基于相同的原理工作，但是在燃料电池中使用的燃料、工作温度、催化剂、电解液等是不同的。在这些燃料电池中，由于下面的优点PEMFC被认为是用于小型固定式发电设备和运输系统的最有前途的一种燃料电池。例如，PEMFC可以在低温下运行，具有大的输出密度，可以在短时间内启动运行，并且可以对需要的输出功率的变化进行快速响应。PEMFC的重要组件是膜电极组件(MEA)。通常，MEA包括聚合物电解液膜，及分别充当阴极和阳极的两个电极，该电极附着在聚合物电解液膜的两侧。聚合物电解液膜充当阻止氧化剂和还原剂之间直接接触的隔板，使两个电极电绝缘的绝缘体，及质子导体。因此，对优良的聚合物电解液膜的要求包括(1)高质子导电性，(2)优良的电绝缘特性，(3)对反应物的低渗透性，(4)在燃料电池工作条件的优良的热、化学和力学稳定性，(5)低制造成本等。为了满足上述要求，已经开发出各种聚合物电解液膜。具体地，全氟聚磺酸膜，例如Nafion薄膜，由于其优良的耐久性和性能目前成为标准薄膜。然而，Nafion薄膜必须充分增湿以平稳运行，并且必须在80℃或更低的温度下使用以防止失去水分。另外，Nafion薄膜在燃料电池的工作条件下是不稳定的，这是因为在主链中的C-C键被O2攻击。而且，在DMFC中，将甲醇水溶液作为燃料提供给阳极。部分没有反应的甲醇渗入聚合物电解液膜。渗入聚合物电解液膜的甲醇通过聚合物电解液膜扩散同时使得聚合物电解液膜溶胀随后进入阴极催化剂层。这个现象称作甲醇渗透。换句话说，在阴极中氢离子和氧之间发生电化学还原，甲醇直接被氧化，从而降低了阴极中的电势并严重恶化了电池的性能。近来，可以在100℃或更高的高温下运行的PEMFC正在引起关注，这是因为在这样的高温下催化剂的效率增加了并且催化剂增加了对CO的抵抗力，CO是催化剂的抑制剂。另外，当燃料电池可以在高温和低湿下工作时，不再需要用于增湿常规燃料电池所需的外围设备，从而可以简化燃料电池系统的整体结构。已经进行很多尝试以开发高温PEMFC。例如，(1)已经通过在其中固定诸如硅胶、磷酸锆等的固体，开发出具有离子导电性的聚合物膜。然而，在该情况下，限制了性能的提高。(2)已经开发出浸有酸的聚合物膜。然而，在该情况下，随着时间的推移会发生酸的损失和腐蚀。(3)已经开发出使用非离子导电性聚合物的膜，其中酸散布在该聚合物膜中。然而，在该情况下，会发生酸的损失和腐蚀，并且阴离子被吸收到催化剂上。(4)已经尝试使用CsHSO4作为固体酸或固体酸盐的方法。然而，在该情况下，制备过程复杂，并且使用该方法制得的膜的力学性能由于其在水中的高溶解性而不能令人满意。由于这些问题，仍然没有研发出在高温低湿条件下具有令人满意的离子导电性和持久性的聚合物电解液膜。
技术实现思路
本专利技术提供了一种聚合物电解液，其在高温低湿条件下具有优良的离子导电性并且减少了甲醇渗透。本专利技术还提供了一种制备该聚合物电解液的方法。本专利技术还提供了一种包括该聚合物电解液的燃料电池。按照本专利技术的一个方面，提供了一种聚合物电解液，该聚合物电解液包括形成聚合物电解液的组合物的聚合反应的产物，该组合物包括包含环氧基的三烷氧基硅烷；聚乙烯亚胺；及杂多酸和三氟甲烷砜酰亚胺中的至少一种。该聚合物电解液可以包括(a)选自硅聚合物和聚乙烯亚胺的混合物，及含环氧基的三烷氧基硅烷和聚乙烯亚胺的交联反应产物中的至少一种复合物，其中所述硅聚合物是通过含环氧基的三烷氧基硅烷的水解缩聚而制得的；及(b)杂多酸和三氟甲烷砜酰亚胺中的至少一种。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种制备聚合物电解液的方法，该方法包括通过混合聚乙烯亚胺，含环氧基的三烷氧基硅烷，及杂多酸和三氟甲烷砜酰亚胺中的至少一种，制备形成聚合物电解液的组合物；及通过加热来聚合该形成聚合物电解液的组合物。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种燃料电池，该燃料电池包括阴极、阳极和位于其间的聚合物电解液膜，其中该聚合物电解液膜包含上述的聚合物电解液。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点和优点将变得更显而易见，附图中图1是对根据本专利技术实施方案的聚合物电解液膜和聚乙烯亚胺(PEI)聚合物膜进行热重量分析(TGA)的结果图。图2是根据本专利技术实施方案的聚合物电解液结构的示意图。具体实施例方式现在将详细描述本专利技术。近来，已经报导一种布朗斯台德酸(Broensted acid)-基系统，如有机胺/三氟甲烷砜酰亚胺(HTFSI)，在100～200℃的高温和干燥或低湿下具有高离子导电性。这是因为该布朗斯台德酸-基系统遵循Grotthuss机理，该机理中质子是通过胺基/酸基的相邻活性部位进行传递的。由于质子传导的活化能取决于相邻胺基/酸基的距离，因此活性部位之间的距离可以通过增加官能团的密度减小，从而增加了离子导电性。根据本专利技术实施方案的形成聚合物电解液的组合物包括含环氧基的三烷氧基硅烷，聚乙烯亚胺(PEI)，及杂多酸和HTFSI中的至少一种。通过所述形成聚合物电解液的组合物的聚合制得的根据本专利技术实施方案的聚合物电解液，包括(a)选自硅聚合物和PEI的混合物，及含环氧基的三烷氧基硅烷和PEI的交联反应产物中的至少一种复合物，其中所述硅聚合物是通过含环氧基的三烷氧基硅烷的水解缩聚而制得的；及(b)杂多酸和HTFSI中的至少一种。在形成聚合物电解液的组合物中，含环氧基的三烷氧基硅烷的量可以为10～25重量份，PEI的量可以为60～75重量份，及杂多酸和HTFSI的总量可以为3～25重量份。当含环氧基的三烷氧基硅烷的量大于25重量份时，聚合物电解液膜的离子导电性降低。当含环氧基的三烷氧基硅烷的量小于10重量份时，聚合物电解液膜的力学性能恶化。当PEI的量大于75重量份时，聚合物电解液膜的离子导电性降低。当PEI的量小于60重量份时，聚合物电解液膜的力学性能恶化。当杂多酸和HTFSI的总量大于25重量份时，聚合物电解液膜的力学性能恶化，因而聚合物电解液膜可能易碎。当杂多酸和HTFSI的总量小于3重量份时，聚合物电解液膜的离子导电性降低。PEI是下面式1表示的聚合物，并且在聚胺聚合物中具有最高的胺密度。 PEI与通过含环氧基的三烷氧基硅烷的水解缩聚制得的硅聚合物混合，或者与含环氧基的三烷氧基硅烷进行交联反应。另外，PEI和硅聚合物的混合物具有互相贯穿的结构。在该情况下，术语“互相贯穿”指的是PEI的聚合物链与硅聚合物的聚合物链三维地任意缠绕在一起的状态。该结构从宏观上看起来是均匀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚合物电解液，包括形成聚合物电解液的组合物的聚合产物，该形成聚合物电解液的组合物包含：含环氧基的三烷氧基硅烷；聚乙烯亚胺；及杂多酸和三氟甲烷砜酰亚胺中的至少一种。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：金惠庆，小肯尼思J鲍尔库斯，张赫，约翰P费拉里斯，达克J杨，杨智伟，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，得克萨斯系统大学董事会，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]