本发明专利技术提供了一种用于燃料电池的聚合物电解质膜以及包括该聚合物电解质膜的膜电极组件和燃料电池。更具体而言，提供了一种用于燃料电池的聚合物电解质膜，其包含具有氢离子导电性的基于碳氢化合物的阳离子交换树脂和具有亲水基团的纤维纳米粒子。通过结合使用具有亲水基团的纤维纳米粒子和具有氢离子导电性的基于碳氢化合物的阳离子交换树脂，在不引起燃料电池的性能变差的情况下，可以得到显示出改善的阻气性能和长期耐用性的用于燃料电池的聚合物电解质膜，以及可以得到包括该聚合物电解质膜的燃料电池。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于燃料电池的聚合物电解质膜来改善电解质膜的机械性能。更具体而言，本专利技术涉及ー种包含具有至少ー种亲水基团的纤维纳米粒子的用于燃料电池的聚合物电解质膜，从而改善其机械性能，以及本专利技术涉及ー种包括该聚合物电解质膜的膜电极组件和燃料电池。
技术介绍
近来，对常规能源例如石油和煤炭的预计消耗已经引起了对替代能源的不断关注。特别是，燃料电池作为能量储存系统，其优点在于 燃料电池高效，不排放污染物例如NOx和SOx，以及所使用的燃料丰富，从而燃料电池吸引了大量的关注。燃料电池是ー种将燃料和氧化剂的化学反应的能量转化成电能的发电系统。通常，氢气、甲醇或烃(例如丁烷)用作燃料和氧气用作氧化剂。在燃料电池中用于发电的最基本单元是膜电极组件(MEA)，该膜电极组件由电解质膜和在该电解质膜的两个表面上形成的阳极和阴极组成。參照图I和说明燃料电池发电机理的反应式I (在氢气用作燃料的情况下燃料电池的反应式)，在阳极，发生氧化反应以产生氢离子和电子，且该氢离子通过电解质膜移向阴极。在阴极，氧气(氧化剂)和通过电解质膜迁移的氢离子与电子反应而生成水。基于这些反应，在外电路中发生电子传递。[反应式I]在阳极上=H2— 2H++2e_在阴极上l/202+2H++2丨一H2O总反应H2+l/202— H2O在上述反应中，取决于温度和水合作用，该聚合物电解质膜经历15 30%的膜厚度变化和体积变化，特别是，经历由3 50重量％的甲醇燃料引起的200%或大于200%的体积变化。因此，取决于燃料电池的工作条件电解质膜经受反复的溶胀和收縮，以及由于体积变化而引起在聚合物电解质膜中聚合物链解开缠结，机械强度降低井出现细孔或裂縫。这些细孔或裂缝引起氢气透过(crossover of hydrogen)或甲醇透过,从而导致燃料电池耐久性劣化。由于上述原因，由全氟磺酸树脂(商品名Nafion)制成的全氟磺酸树脂膜具有优异的导电性、机械性能和耐化学性，一般用作聚合物电解质膜。然而，全氟磺酸树脂的缺点是昂贵，从而增加了燃料电池的制备成本。因此，对比氟电解质膜(例如全氟磺酸树脂)更便宜的碳氢化合物电解质膜(hydrocarbon electrolyte membrane)的关注日益增加。当与氟电解质膜相比时，碳氢化合物电解质膜由于低的气体透过性而在燃料电池的实际运行中，由于气体透过产生的副产物而导致的耐化学性劣化相对小。然而，一般的碳氢化合物电解质膜取决于加湿条件的变化而经历很大的体积变化，并且非常易碎，从而不利的是，在燃料电池的实际运行中机械耐用性(mechanical resistance)难以保证。例如，碳氢化合物膜在包括反复的加湿和除湿的循环试验中非常脆弱，该循环试验是一种用于评价电解质膜机械耐用性的代表性方法。另外，通常试图改善电解质膜树脂或用电解质膜树脂填充多孔材料，来提高用于燃料电池的聚合物电解质膜的耐久性。然而，在电解质膜的强度增大的情形中，离子交换性能通常劣化，而填充多孔材料的方法在耐用性方面显示出非常大的改善，但是该方法存在与处理有关的非常大的困难和增加原材料成本的问题。特别是，碳氢化合物电解质膜树脂取决于潮湿条件的变化经历非常大的体积变化，从而尽管使用多孔材料，碳氢化合物电解质膜树脂在耐用性方面也不能得到显著的改善。作为另ー种方法，存在通过使电解质膜树脂与一种物质混合来改善耐用性的制备方法。这种方法不利地妨碍了混合过程，特别是，没有表现出显著的效果。因此，在本领域中已经试图解决上述问题，并在这些技术环境下本专利技术已被开发出。
技术实现思路
技术问题因此，已作出本专利技术来解决上述问题和其它尚待解决的技术问题。具体而言，本专利技术的ー个目的是提供一种聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜包含具有至少ー种亲水基团的纤维纳米粒子，从而当与用于燃料电池的常规聚合物电解质膜相比，该聚合物电解质膜显示出显著改善的机械性能。本专利技术的另ー个目的是提供ー种包括上述用于燃料电池的聚合物电解质膜的膜电极组件。本专利技术的还ー个目的是提供ー种包括上述用于燃料电池的聚合物电解质膜的燃料电池。技术方案根据本专利技术的ー个方面，提供了一种用于燃料电池的聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜包含具有氢离子导电性的基于碳氢化合物的阳离子交换树脂和具有亲水基团的纤维纳米粒子。像这样，当所述膜包含具有氢离子导电性的基于碳氢化合物的阳离子交换树脂和具有亲水基团的纤维纳米粒子时，该具有亲水基团的纤维纳米粒子与所述基于碳氢化合物的阳离子交换树脂同步溶胀和收缩，因此减小了由体积变化引起的应力，并且即使在低湿度条件下亲水基团的存在仍能够减小由水分散失引起的收缩，并当暴露于湿气中时亲水基团的存在能够改善抗张强度。另外，该纤维纳米粒子具有小的粒度和大的表面积，并由于亲水基团而可以被均匀地分散在具有氢离子导电性的阳离子交换树脂中，因此该纤维纳米粒子非常有助于改善所制得的聚合物电解质膜的机械性能。在エ艺方面，相比于使用多孔材料等的情況，该エ艺非常简单。因此，当使用所述聚合物电解质膜制备燃料电池时，可以制造出表现出优异的长期耐用性和低制造成本的燃料电池。在根据本专利技术的用于燃料电池的聚合物电解质膜中，所述具有氢离子导电性的基于碳氢化合物的阳离子交换树脂和所述具有亲水基团的纤维纳米粒子的混合比例基于重量比优选为99.9:0. I 91:9。当具有亲水基团的纤维纳米粒子的含量过低时，难以保证机械性能在所需要的水平，另ー方面，当该含量过高时，纤维纳米粒子可能部分聚集并形成用于燃料透过的通道。因此，这些情形是不希望的。由于这些原因，基于电解质膜的总重量，所述具有亲水基团的纤维纳米粒子优选以0. 2 8重量％的量存在，特别优选0. 2 5重量％。在一个优选的实施方案中，所述具有亲水基团的纤维纳米粒子的直径可以为10 200nm,长度可以为I 20 u m。由于所述具有亲水基团的纤维纳米粒子具有纳米级的粒度，所以它们可以更均匀地分散在阳尚子交换树脂中，并且尽管少量存在，仍改善耐久性。然而，当所述具有亲水基团的纤维纳米粒子的直径过小时，该纤维纳米粒子不能有助于机械強度的改善，另ー方面，当该直径过大时，不能得到由表面积的増大(即纤维纳米粒子的一种性质)引起的结合力改善的效果。另外，当所述具有亲水基团的纤维纳米粒子的长度短吋，该纳米粒子不能具有纤维状形状，另ー方面，当该长度过长时，在阳离子交换树脂中的分散性变差。因此，这些情形是不希望的。在另ー个优选实施方案中，所述具有亲水基团的纤维纳米粒子的长宽比可以为1:5 1:2，000。当所述长宽比过小吋，该纳米粒子不能具有纤维状形状，結果，不能有助于机械强度的改善，另ー方面，当该长宽比过大时，分散性劣化且纤维纳米粒子可能在阳离子交换树脂中部分聚集并用作燃料的通道等。因此，这些情形是不希望的。只要纳米粒子具有上述性质，该具有亲水基团的纤维纳米粒子的类型不特别限制。优选的纤维纳米粒子的实例包括选自纤维素纳米纤维和聚こ烯醇(PVA)纳米纤维中ー种或多种。其中，特别优选纤维素纳米纤維。纤维素纳米纤维包括结晶区和非晶区，结晶区増加了材料的弾性和抗张强度，非晶区吸收水并溶胀，或改善材料的挠性。所述纤维素纳米纤维或聚こ烯醇(PVA)纳米纤维具有羟基(-0H)作为亲水基团。在优选的实施本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.12.18 KR 10-2009-0126591;2010.11.26 KR 10-2011.一种用于燃料电池的聚合物电解质膜，包含具有氢离子导电性的基于碳氢化合物的阳离子交换树脂；和具有亲水基团的纤维纳米粒子。2.根据权利要求I所述的聚合物电解质膜，其中，所述具有氢离子导电性的基于碳氢化合物的阳离子交换树脂和具有亲水基团的纤维纳米粒子的混合比例基于重量比为99. 9:0. I 91:9。3.根据权利要求I所述的聚合物电解质膜，其中，所述具有亲水基团的纤维纳米粒子的直径为10 200nm,长度为I 20 y m。4.根据权利要求I所述的聚合物电解质膜，其中，所述具有亲水基团的纤维纳米粒子的长宽比为1:5 1:2,000。5.根据权利要求I所述的聚合物电解质膜，其中，所述具有亲水基团的纤维纳米粒子是选自纤维素纳米纤维和聚こ烯醇(PVA)中的ー种或多种。6.根据权利要求5所述的聚合物电解质膜，其中，相对于羟基(-OH)的全部位置，羟基以5 90%的量在所述纤维素纳米纤维和聚こ烯醇(PVA)中存在。7.根据权利要求5所述的聚合物电解质膜，其中，所述纤维素纳米纤维是选自其中羟基未被取代的纤维素纳米纤维、用こ酰基或其衍生物取代的纤维素纳米纤维、硫酸纤维素纳米纤維、磷酸纤维素纳米纤维和用C1-Cltl烷基或其衍生物取代的纤维素纳米纤维中的一种或多种。8.根据权利要求7所述的聚合物电解质膜，其中，所述纤维素纳米纤维是选...
【专利技术属性】
技术研发人员：金赫，崔盛晧，成京兒，李详雨，鲁台根，金志洙，
申请(专利权)人：LG化学株式会社，
类型：发明
国别省市：
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