具有高离子传导性的耐用膜电极组件及其制造方法技术

本发明专利技术公开一种具有高离子传导性的耐用膜电极组件及其制造方法。该膜电极组件包括：电解质膜；以及一对电极，电极分别设置在电解质膜的两个表面上。电解质膜和电极中的至少一种包含具有质子传导官能团的离子导电聚合物，并且由化学式1表示的化合物与全部或部分质子传导官能团键合，[化学式1]MAx其中，M是属于镧族的元素，A为亲水性官能团，X是A和M之间电荷平衡的数值。由于膜电极组件包含具有良好化学耐久性和质子传导性的离子导电聚合物，因此膜电极组件经久耐用并具有高质子传导性。电极组件经久耐用并具有高质子传导性。电极组件经久耐用并具有高质子传导性。

【技术实现步骤摘要】
具有高离子传导性的耐用膜电极组件及其制造方法


[0001]本公开涉及一种膜电极组件(membrane
‑
electrode assembly,MEA)及其制造方法，其中MEA包括具有良好化学耐久性和质子传导性的离子导电聚合物，使得MEA经久耐用并具有高质子传导性。

技术介绍

[0002]用于汽车的聚合物电解质膜燃料电池(polymer electrolyte membrane fuel cell,PEMFC)是一种通过氢和空气中的氧之间的电化学反应发电的发电机，是众所周知的具有高发电效率和无除水以外的其它排出物的环保型下一代能源。PEMFC通常在95℃或更低的温度下运行，并且可以提供高功率密度。燃料电池发电的反应发生在由全氟磺酸(PFSA)离聚物基电解质膜、阳极(Anode)和阴极(Cathode)组成的膜电极组件(MEA)中。
[0003]提供给燃料电池的阳极(氧化电极)的氢被分解为质子(氢离子)和电子。质子通过膜向阴极(还原电极)移动。电子通过外部电路向阴极移动。氧分子、质子和电子在阴极上反应以产生电和热作为主要产物，并产生水作为反应副产物。
[0004]作为燃料电池反应气体的氢和氧穿过电解质膜交叉移动(crossover)以促进过氧化氢(HOOH)的生成。过氧化氢产生羟基自由基(
˙
OH)、氢过氧自由基(
˙
OOH)等含氧自由基。这些自由基攻击全氟磺酸电解质膜，导致膜的化学降解并最终降低燃料电池的耐久性(D.E.Curtin等人，J.Power Sources,131,41
‑
48(2004)；A.P.Young等人,J.Electrochem.Soc.,157,B425
‑
B436(2010)；P.Trogadas等人，Electrochem.Solid
‑
State Lett.,11,B113
‑
B116(2008)；R.Uegaki等人，J.Power Sources,196,9856
‑
9861(2011)；D.Zhao等人,J.Power Sources,190,301
‑
306(2009))。
[0005]传统上，为了减轻电解质膜和膜电极组件的化学降解，有一种方法是在电解质膜中添加各种抗氧化剂。
[0006]通常，硝酸铈(III)六水合物用作抗氧化剂。在这种情况下，铈离子结合到每个磺酸(SO3H)基团的末端，从而切断质子(H
+
)可以移动的路径。这增加了电解质膜的化学耐久性但降低了电解质膜的质子传导性。

技术实现思路

[0007]本公开的目的是提供一种膜电极组件(MEA)，其具有比传统的基于全氟化磺酸离聚物的电解质膜(例如Nafion
TM
)更高的化学耐久性和质子传导性。
[0008]然而，本公开的目的不限于上述目的。本公开的目的将从以下描述变得更加清楚，并且将通过权利要求书中记载的组件和组件的组合来实现。
[0009]本公开的一个实施例提供一种膜电极组件(MEA)，其包括：电解质膜；以及一对电极，分别设置在电解质膜的两个表面上，其中，电解质膜、电极或两者包含具有一个或多个质子传导官能团的离子导电聚合物，并且全部或部分质子传导官能团与由化学式1表示的化合物键合。
[0010][化学式1][0011]MAx
[0012]其中，M是属于镧族的元素，A为亲水性官能团，X是A和M之间电荷平衡的数值。
[0013]质子传导官能团可以包含磺酸基团。
[0014]离子导电聚合物可以是选自由全氟磺酸、磺化聚(芳醚酮)、磺化聚(亚芳基醚砜)及其组合组成的组中的一种。
[0015]M可以是铈，并且亲水性官能团可以是选自由磺基琥珀酰基团、磷酸基团、对苯二甲酸基团及其组合组成的组中的一种。
[0016]离子导电聚合物可以包含由结构式1至结构式3中的至少一个表示的碳骨架和侧链，
[0017][结构式1][0018][0019][结构式2][0020][0021][结构式3][0022][0023]其中，*是与硫(S)键合的碳骨架或侧链中的元素。
[0024]电解质膜可以包括：多孔加强层，浸渍有离子导电聚合物；以及离子传输层，设置在加强层的至少一个表面上并包含离子导电聚合物。
[0025]本公开的一个实施例提供一种膜电极组件的制造方法，该方法包括：制备包含铈前驱体的第一溶液；将第一溶液加入到包含质子传导官能团的离子导电聚合物分散液中以制备第二溶液；在第二溶液中添加酸溶液以获得第三溶液，并使第三溶液反应使得氢氧化铈(Ce(OH)3)与全部或部分质子传导官能团键合；将亲水性官能团的前驱体加入到第三溶液反应的反应产物中以获得第四溶液，并使第四溶液反应使得氢氧化铈(Ce(OH)3)作为亲水性官能团起作用；利用亲水性官能团制备电解质膜；以及分别在电解质膜的两个表面上形成电极。
[0026]铈前驱体可以包含选自由异丙醇铈(Ce(OC3H7)4)、醋酸铈(III)水合物(Ce(CH3CO2)3˙
xH2O)、乙酰丙酮铈(III)水合物(Ce(C5H7O2)3˙
xH2O)、草酸铈(III)水合物(Ce2(C2O4)3˙
xH2O)、三氟甲磺酸铈(Ce
n
(CF3SO3)
˙
xH2O)及其任意组合组成的组中的一种。
[0027]可以将铈前驱体分散在选自由异丙醇、二甲基甲酰胺及其组合组成的组中的极性溶剂中以制备第一溶液。
[0028]可以将铈前驱体加入到溶剂中并搅拌10至600分钟以制备第一溶液。
[0029]第二溶液中包含的铈前驱体的含量可以为基于离子导电聚合物的总含量的0.1重量％至10重量％。
[0030]第三溶液的反应可以在40℃至150℃的温度范围下进行1小时至24小时。
[0031]亲水性官能团的前驱体可以包含选自由磺基琥珀酸、磷酸、对苯二甲酸及其组合组成的组中的至少一种。
[0032]第四溶液中亲水性官能团的前驱体的含量可以为基于离子导电聚合物的总含量的0.1重量％至20重量％。
[0033]第四溶液的反应可以在40℃至150℃的温度范围下进行1小时至24小时。
[0034]本公开可以提供具有良好化学耐久性和质子传导性的电解质膜，从而显著提高包括该电解质膜的膜电极组件的耐久性和性能。
[0035]在根据本公开的电解质膜中，由于质子移动的路径的尺寸可以通过与离子导电聚合物侧链的端基团键合的官能团而扩展，因此膜电极组件的质子传导性大大改进。
[0036]另外，根据本公开，由于铈抑制由羟基或氢过氧自由基引起的电解质膜的化学降解，因此极大地提高了膜电极组件的化学耐久性。
[0037]然而，本公开的优点不限于上述优点。应当理解的是，本公开的优点包括可以从下面给出的描述中推断出的所有效果。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膜电极组件，包括：电解质膜；以及一对电极，所述电极分别设置在所述电解质膜的两个表面上，其中，所述电解质膜和所述电极中的至少一种包含具有质子传导官能团的离子导电聚合物，并且由化学式1表示的化合物与全部或部分所述质子传导官能团键合，[化学式1]MAx其中，M是属于镧族的元素，A为亲水性官能团，X是A和M之间电荷平衡的数值。2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述质子传导官能团包含磺酸基团。3.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述离子导电聚合物是选自由全氟磺酸、磺化聚(芳醚酮)、磺化聚(亚芳基醚砜)及其组合组成的组中的一种。4.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，M是铈，并且所述亲水性官能团是选自由磺基琥珀酰基团、磷酸基团、对苯二甲酸基团及其组合组成的组中的一种。5.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述离子导电聚合物包含由结构式1至结构式3中的至少一个表示的碳骨架和侧链，[结构式1]
[结构式2][结构式3]
其中，*是与硫即S键合的所述碳骨架或所述侧链中的元素。6.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述电解质膜包括浸渍有所述离子导电聚合物的多孔加强层和设置在所述加强层的至少一个表面上并包含所述离子导电聚合物的离子传输层。7.一种膜电极组件的制造方法，包括：制备包含铈前驱体的第一溶液；将所述第一溶液加入到包含质子传导官能团的离子导电聚合物分散液中以制备第二溶液；在所述第二溶液中添加酸溶液以获得第三溶液，并使所述第三溶液反应使得氢氧化铈(Ce(OH)3)与全部或部分所述质子传导官能团键合；将亲水性官能团的前驱体加入到所述第三溶液反应的反应产物中以获得第四溶液，并使所述第四溶液反应使得氢氧化铈(Ce(OH)3)作为亲水性官能团起作用；利用所述亲水性官能团制备电解质膜；以及分别在所述电解质膜的两个表面上形成电极。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述铈前驱体包含选自由异丙醇铈(Ce(OC3H7)4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴仁釉，吴宗吉，宋宣周，洪材沄，A，
申请(专利权)人：起亚株式会社全南大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：