聚合物电解质膜、其制造方法和包括该聚合物电解质膜的电化学装置制造方法及图纸

公开了一种兼具高离子电导率和优异的化学耐久性的聚合物电解质膜、其制造方法和包括该聚合物电解质膜的电化学装置。本发明专利技术的聚合物电解质膜包括电解质组合物，该电解质组合物包含：离子导体；和自由基清除剂，其中，所述自由基清除剂包括具有选自羟基(

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】聚合物电解质膜、其制造方法和包括该聚合物电解质膜的电化学装置


[0001]本公开涉及一种聚合物电解质膜，一种制造该聚合物电解质膜的方法以及包括该聚合物电解质膜的电化学装置，并且更具体地，涉及一种既表现出高离子电导率又表现出优异的化学耐久性的聚合物电解质膜，一种制造该聚合物电解质膜的方法以及包括该聚合物电解质膜的电化学装置。

技术介绍

[0002]在本说明书中，术语“电化学装置”是一个概念，其涵盖发电装置(例如，燃料电池)和节能装置(例如，氧化还原液流电池(RFB))。
[0003]将氢气和氧气相互结合发电的燃料电池的优点在于，只要提供氢气和氧气就可以连续发电，并且没有热损失，由此燃料电池的效率大约是内燃机效率的两倍。
[0004]此外，这种燃料电池将氢和氧结合产生的化学能直接转化为电能，由此排放的污染物量很小。因此，燃料电池的优点在于燃料电池是环境友好型，并且可以减少对因能源消耗增加而导致的资源耗尽的担忧。
[0005]基本上发电的燃料电池的堆叠具有这样的结构，其中堆叠了数个至数十个单元电池，每个单元电池包括膜电极组件(MEA)和隔板(也称为双极板)。膜电极组件通常包括阳极、阴极和设置在它们之间的电解质膜。
[0006]根据电解质的状态和种类，燃料电池可以分为碱性电解质膜燃料电池或聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，聚合物电解质膜燃料电池由于其低于100℃的低工作温度、快速启动和响应特性以及优异的耐久性，作为移动电源、车辆电源和家庭电源而受到关注。
[0007]聚合物电解质膜燃料电池的代表性实例可以包括使用氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，以及使用液体甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)。
[0008]将简要描述在聚合物电解质膜燃料电池中发生的反应。
[0009]首先，当向阳极供给氢气等燃料时，作为氢气氧化反应的结果，在阳极产生氢离子(H
+
)和电子(e
‑
)。生成的氢离子通过聚合物电解质膜转移到阴极，并且生成的电子通过外部电路转移到阴极。供应给阴极的氧与氢离子和电子结合，作为氧还原反应的结果产生水。
[0010]膜电极组件，特别是聚合物电解质膜，极大地影响燃料电池的性能和寿命。因此，为了改善燃料电池的性能和寿命，防止聚合物电解质膜因燃料电池的运行而降解是非常重要的。
[0011]燃料电池驱动时产生的自由基已知为聚合物电解质膜降解的主要原因。例如，在阴极处氧气的还原反应过程中可以产生过氧化氢(H2O2)，并且可以从过氧化氢中产生氢过氧自由基和/或羟基自由基。此外，当供给阴极的空气中的氧分子通过聚合物电解质膜到达阳极时，阳极处也可以产生过氧化氢，从而可能产生氢过氧自由基和/或羟基自由基。自由基劣化聚合物电解质膜中包含的离子导体(例如，包含磺酸基的氟基/烃基聚合物)，从而聚合物电解质膜的离子电导率降低。
[0012]氧化还原液流电池(RFB)是一种根据电解液的可逆电化学反应反复充放电的结果，可以长期使用的二次电池。
[0013]氧化还原液流电池(RFB)通常包括由聚合物电解质膜相互隔离的两种液体电解质。液体电解质(特别是阴极处的液体电解质(阴极电解质))中包含的自由基材料降解聚合物电解质膜中包含的离子导体，从而降低聚合物电解质膜的离子电导率。
[0014]为了防止由于自由基引起的聚合物电解质膜的降解，已经提出引入能够去除自由基的自由基清除剂。
[0015]然而，迄今为止提出的自由基清除剂具有的局限性在于，可以去除生成的自由基，但不能防止自由基的生成。此外，常规的金属基自由基清除剂存在的问题在于，这种自由基清除剂降低了聚合物电解质膜的离子电导率，从而降低了燃料电池的性能，并且该自由基清除剂在电池操作期间被洗脱和/或团聚。

技术实现思路

[0016]技术问题
[0017]因此，本公开涉及一种能够防止由上述相关技术的限制和缺点引起的问题的聚合物电解质膜，其制造方法和包括其的电化学装置。
[0018]本公开的一个目的是提供一种聚合物电解质膜，其既表现出高离子电导率又表现出优异的化学耐久性。
[0019]本公开的另一个目的是提供一种用于制造既表现出高离子电导率又表现出优异的化学耐久性的聚合物电解质膜的方法。
[0020]本公开的再一个目的是提供一种能够长时间保持优异的性能的电化学装置。
[0021]除了本公开的上述目的之外，本公开的其他特征和优势将在下文中描述，或者将由本公开所属领域的技术人员从以下描述中清楚地理解。
[0022]技术方案
[0023]根据本公开的一个方面，提供一种聚合物电解质膜，其包括电解质组合物，其中，所述电解质组合物包含离子导体和自由基清除剂，并且其中该自由基清除剂包括具有选自羟基(
‑
OH)、胺基(
‑
NH2)、羧基(
‑
COOH)和酰胺基(
‑
CONH2)中的至少一种官能团的有机环状化合物。
[0024]所述有机环状化合物可以是包含氮作为杂元素的杂环化合物。
[0025]所述自由基清除剂可以包括取代或未取代的烟酸，或者取代或未取代的烟酰胺。
[0026]所述自由基清除剂可以包括选自取代或未取代的烟酸、取代或未取代的烟酰胺、取代或未取代的异丁苯丙酸和取代或未取代的生物素中的至少一种有机环状化合物。
[0027]基于100重量份的所述离子导体，所述有机环状化合物可以以0.1重量份至10重量份的量包含在聚合物电解质膜中。
[0028]所述离子导体可以具有选自磺酸基、羧基、硼酸基、磷酸基、酰亚胺基、砜酰亚胺基、砜酰胺基和磺酰氟基(sulfonic acid fluoride group)中的至少一种离子交换基团。
[0029]所述离子导体可以是氟基离子导体或烃基离子导体。
[0030]所述聚合物电解质膜还可以包括具有多个孔的多孔载体，并且该孔可以填充有所述电解质组合物。
[0031]所述多孔载体可以是膨胀膜或非织造纤维网。
[0032]所述多孔载体的表观体积与聚合物电解质膜总体积之比可以为5％至90％。
[0033]根据本公开的另一个方面，提供了一种用于制造聚合物电解质膜的方法，该方法包括制备包含离子导体和自由基清除剂的混合溶液，并使用该混合溶液形成聚合物电解质膜，其中所述自由基清除剂包括具有选自羟基(
‑
OH)、胺基(
‑
NH2)、羧基(
‑
COOH)和酰胺基(
‑
CONH2)中的至少一种官能团的有机环状化合物。
[0034]制备混合溶液可以包括制备具有离子导体分散在其中的分散体，并且将自由基清除剂溶解在分散体中。
[0035]所述离子导体可以是氟基离子导体。
[0036]或者，混合溶液的制备可以包括将所述自由基清除剂溶解在溶剂中以获得第一溶液，并且将所述离子导体溶解在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种聚合物电解质膜，其包括电解质组合物，其中，所述电解质组合物包含：离子导体；和自由基清除剂，并且其中，所述自由基清除剂包括具有选自羟基(
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OH)、胺基(
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NH2)、羧基(
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COOH)和酰胺基(
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CONH2)中的至少一种官能团的有机环状化合物。2.根据权利要求1所述的聚合物电解质膜，其中，所述有机环状化合物是包含氮作为杂元素的杂环化合物。3.根据权利要求2所述的聚合物电解质膜，其中，所述自由基清除剂包括取代或未取代的烟酸，或者取代或未取代的烟酰胺。4.根据权利要求1所述的聚合物电解质膜，其中，所述自由基清除剂包括选自取代或未取代的烟酸、取代或未取代的烟酰胺、取代或未取代的异丁苯丙酸、和取代或未取代的生物素中的至少一种有机环状化合物。5.根据权利要求1所述的聚合物电解质膜，其中，基于100重量份的所述离子导体，所述有机环状化合物以0.1重量份至5重量份的量包含在聚合物电解质膜中。6.根据权利要求1所述的聚合物电解质膜，其中，所述离子导体具有选自磺酸基、羧基、硼酸基、磷酸基、酰亚胺基、砜酰亚胺基、砜酰胺基、和磺酰氟基中的至少一种离子交换基团。7.根据权利要求6所述的聚合物电解质膜，其中，所述离子导体是氟基离子导体或烃基离子导体。8.根据权利要求1所述的聚合物电解质膜，其中，所述聚合物电解质膜还包括具有多个孔的多孔载体，并且所述孔填充有所述电解质组合物。9.根据权利要求8所述的聚合物电解质膜，其中，所述多孔载体是膨胀膜或非织造纤维网。10.根据权利要求8所述的聚合物电解质膜，其中，所述多孔载体的表观体积与所述聚合物电解质膜的总体积之比为5％至90％。11.一种用于制造聚合物电解质膜的方法，所述方法包括：制备包含离子导体和自由基清除剂的混合溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴重华，李瞳熏，金娜玲，李殷受，吴昌勋，李蕙松，
申请(专利权)人：可隆工业株式会社，
类型：发明
国别省市：