燃料电池的电解液膜及包括它的燃料电池制造技术

本发明专利技术提供一种用于燃料电池的电解液膜及包括它的燃料电池。所述用于燃料电池的电解液膜包括质子导电聚合物层和吸湿聚合物层，该吸湿聚合物层布置在所述质子导电聚合物层的一侧或两侧。所述电解液膜具有优良的吸湿性能并能够用于自增湿的燃料电池。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于燃料电池的电解液膜，及包括它的燃料电池，更具体地，本专利技术涉及一种自增湿的用于燃料电池的电解液膜及包括所述电解液膜的燃料电池。
技术介绍
燃料电池为将氧化剂与氢或碳氢化合物基物质如甲醇，乙醇或天然气之间的化学反应能直接转换为电能的发电系统。依据所使用的电解液的类型，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、碱性。虽然每个燃料电池基本上根据相同的原理运行，但是燃料的种类、工作温度、催化剂和电解液可以根据燃料电池的种类而改变。最近，已经开发出聚合物电解液膜燃料电池(PEMFC)，它们具有比常规的燃料电池更好的功率特性，及更低的工作温度，更快的启动和响应特性。该燃料电池有优点，因为它们可以应用于各种各样的领域，如汽车的可移动电源，如家庭和公共建筑的分散电源，及电子装置的小电源。聚合物电解液燃料电池基本上由电池组，重整器，燃料罐及燃料泵组成。燃料泵将储存于燃料罐中的燃料提供给重整器。重整器重整燃料产生氢气，并将氢气供应给电池组。在电池组中，氢气与氧化剂发生电化学反应产生电能。另一种类型的燃料电池为直接氧化燃料电池(DOFC)，其中将液体甲醇燃料直接引入电池组。直接氧化燃料电池可以省略重整器，其在聚合物电解液燃料电池中是必要的。根据上述的燃料电池系统，实质上发电的电池组由几个到几十个彼此堆叠的单元电池组成。每个单元电池由膜电极组件(MEA)和隔板构成。膜电极组件的结构中，也称为燃料电极或氧化电极的阳极，与也称为空气电极或还原电极的阴极通过它们之间的聚合物电解液膜彼此附着。隔板提供将燃料供应给阳极和将氧化剂供应给阴极的通道，及充当连续地连接每个膜电极组件的阳极和阴极的导体。在运行中，燃料的电化学氧化反应发生在阳极，而氧化剂的电化学还原反应发生在阴极。由在该过程中产生的电子迁移，产生电、热和水。至于在膜电极组件中充当电解液的聚合物电解液膜，一般使用氟基电解液膜，例如，全氟磺酸酯离子交联聚合物膜。然而，因为直到磺酸基(-SO3H)发生水合时，氟基聚合物电解液膜才能显示其质子导电性，所以存在额外需要增湿器的缺点。
技术实现思路
在本专利技术的一个实施方案中，提供一种用于燃料电池的电解液膜，该电解液膜具有优良的吸湿(吸收水分)性能。在本专利技术的另一个实施方案中，提供一种包括所述电解液膜的燃料电池。根据本专利技术的实施方案，用于燃料电池的电解液膜包括质子导电聚合物层和吸湿聚合物层，该吸湿聚合物层布置在所述质子导电聚合物层的一侧或两侧。根据本专利技术的另一个实施方案，燃料电池包括膜电极组件，该膜电极组件包括上述的电解液膜，及隔板，该隔板与所述膜电极组件的两侧接触布置。附图说明引入说明书中并构成说明书一部分的附图，说明了本专利技术的实施方案，并与说明部分一起用于解释本专利技术的原理图1为根据本专利技术实施方案的用于燃料电池的电解液膜的剖视图；图2为根据本专利技术实施方案的燃料电池的单元电池的剖视图；及图3为根据实施例2和对比例1制备的燃料电池的电流密度图。具体实施例方式在下面的详述中，仅通过举例说明的方法，描述了本专利技术的某些实施方案。然而，会意识到，本专利技术能够在各个方面进行修改，而不脱离本专利技术。因此，认为附图和说明部分在本质上是说明性的，而不是限制性的。图1为根据本专利技术用于燃料电池的电解液膜的结构剖视图。如图1所示，电解液膜10包括质子导电聚合物层11和吸湿聚合物层13和13’，该吸湿聚合物层13和13’布置在所述质子导电聚合物层11的一侧或两侧。质子导电聚合物层11一般包括质子导电聚合物，该质子导电聚合物用作燃料电池的电解液膜的材料。适宜的质子导电聚合物包括全氟-基聚合物，苯并咪唑-基聚合物，聚酰亚胺-基聚合物，聚醚酰亚胺-基聚合物，聚苯硫醚-基聚合物，聚砜-基聚合物，聚醚砜-基聚合物，聚醚酮-基聚合物，聚醚-醚酮-基聚合物，聚苯基喹喔啉-基聚合物，及其组合。优选地，所述质子导电聚合物层包括选自下列的一种或多种质子导电聚合物聚(全氟磺酸)，聚(全氟羧酸)，四氟乙烯和氟乙烯基醚的包括磺酸基的共聚物，脱氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(间-亚苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，聚(2，5-苯并咪唑)，及其组合。然而，本专利技术并不意味着限于这些具体物质。吸湿聚合物层13和13’吸收水并将水提供给质子导电聚合物层。适宜的吸湿聚合物包括具有亲水官能团的聚合物如丙烯酸基，甲基丙烯酸羟乙酯基，羟基，磺酸基，磷酸基或其组合物。优选的聚合物包括聚丙烯酸，聚乙烯醇(PVA)，聚环氧乙烷(PEO)，聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)及在其支链上带有选自羟基、磺酸基、丙烯酸基或其组合物的亲水官能团的聚合物。提供的吸湿聚合物层为多孔薄膜。在一个实施方案中，它们的平均厚度为2～10μm，优选地，它们的平均厚度为3～8μm。如果所述吸湿聚合物层的平均厚度低于2μm，那么吸湿聚合物层就不能保持充分的吸湿性。当厚度超过10μm时，吸湿聚合物层的质子渗透性下降。质子经水迁移，因为在吸湿聚合物层中的吸湿聚合物吸收水，所以可以保持优良的质子导电性。可以通过涂布含吸湿聚合物的组合物或附着多孔膜，形成吸湿聚合物层。适宜的材料包括具有高质子渗透性的多孔布或无纺织物。可以使用常规的涂布方法形成吸湿聚合物层。包括质子导电聚合物层和吸湿聚合物层的本专利技术的电解液膜，具有优良的吸湿性。因而，它可以用于不需要额外的增湿器就能够驱动的自增湿燃料电池。图2为根据本专利技术实施方案的燃料电池的单元电池的剖视图。然而，本专利技术的燃料电池不限于图2的燃料电池。本专利技术实施方案的燃料电池包括膜电极组件(MEA)20，该膜电极组件20包括用于燃料电池的电解液膜10，及隔板30，该隔板与所述膜电极组件的两侧接触布置。膜电极组件20包括燃料电池的电解液膜10，阴极催化剂层21a，该阴极催化剂层21a形成在所述电解液膜10的一侧，阳极催化剂层21b，该阳极催化剂层21b形成在所述电解液膜10的另一侧，及一对气体扩散层(GDL)25，一个位于所述阴极催化剂层21a和阳极催化剂层21b的每一个的外表面与所述隔板30之间。任选的微孔层23可以布置在所述阴极催化剂层21a和阳极催化剂层21b的每一个与相应的气体扩散层25之间。根据本专利技术的另一个实施方案，吸湿聚合物层仅布置在所述质子导电聚合物层一侧。在该实施方案中，优选将吸湿聚合物层与通过结合质子和氧化剂产生水的阴极催化剂层21a接触布置。所述氧化剂可以是空气或氧。膜电极组件的阴极催化剂层21a和阳极催化剂层21b的适宜的催化剂包括铂，钌，锇，铂-钌合金，铂-锇合金，铂-钯合金，铂-M合金，及其组合，其中M为选自下列的至少一种过渡金属Ga，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu和Zn。优选的催化剂包括铂，钌，锇，铂-钌合金，铂-锇合金，铂-钯合金，铂-钴合金，铂-镍合金，及其组合。膜电极组件的气体扩散层25的适宜的材料包括炭纸或炭布。微孔层23的适宜的材料为带有低于几个微米的微孔的碳层。优选的材料包括石墨，碳纳米管(CNT)，富勒烯(C60)，活性炭，碳纳米突及碳黑。隔板30分别包括多个流道31，燃料和/或空气能够经过该流道流动。因为包括所述电解液膜的燃料电池具有优良的吸湿性，所以它可以是有或没有额外的增湿器都可以运行的自增湿燃料电池。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的电解液膜，包括：质子导电聚合物层；及吸湿聚合物层，该吸湿聚合物层位于所述质子导电聚合物层的至少一侧。

【技术特征摘要】
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【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]