用于燃料电池的聚合物电解质膜和制备该聚合物电解质膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种聚合物电解质膜和制备该聚合物电解质膜的方法，所述聚合物电解质膜即使在低湿度和高温度的条件下也能显示高离子传导率。本发明专利技术的聚合物电解质膜包括多孔衬底，分散在所述多孔衬底中的自质子传导材料，和浸入所述多孔衬底中的离子导体。所述自质子传导材料包括用唑环功能化的无机粒子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术公开了一种聚合物电解质膜和制备该聚合物电解质膜的方法，所述聚合物电解质膜即使在低湿度和高温度的条件下也能显示高离子传导率。本专利技术的聚合物电解质膜包括多孔衬底，分散在所述多孔衬底中的自质子传导材料，和浸入所述多孔衬底中的离子导体。所述自质子传导材料包括用唑环功能化的无机粒子。【专利说明】
本专利技术涉及，更具体而言，涉及即使在低湿度和高温度的条件下也能显示高离子传导率的聚合物电解质膜和制备该聚合物电解质膜的方法。
技术介绍
燃料电池与常规电池不同，是一种能发电的电池，因此不需要替换或再充电。它使燃料如氢气或甲醇氧化产生化学能，然后将化学能转化成电能。由于燃料电池是能量转化率约为60%的高效率发电装置，因此能显著降低燃料消耗。而且，它是一种不产生污染物的生态友好的能源。具有这些优势的燃料电池可以用于各个领域，特别是用于运输工具如汽车等的电源。基于电解质的种类和工作温度，燃料电池可以分为多种类型。在这些各种类型的燃料电池中，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)作为未来电源正受到特殊的关注。聚合物电解质膜燃料电池包括阳极、阴极、以及阳极和阴极之间的聚合物电解质膜。氢气或含有氢气的气体常用作燃料供给阳极。氧气或含有氧气的气体常用作氧化剂供给阴极。在阳极燃料被氧化产生质子和电子。质子通过电解质膜传递到阴极而电子传递到外电路。穿过电解质膜的质子、外电路的电子和氧在阴极结合形成水。从燃料电池发电效率或系统效率的角度来看，需要电解质膜在100°C至300°C的高温和50%或更低的低湿度的条件下具有良好的阳离子传导率。然而，为了使质子传导功能良好，需要将足量的水分提供给由具有磺酸基的聚合物形成的常规电解质膜。在水分易蒸发的条件下，即100°c或更高的高温或50%或更低的低湿度下，常规电解质膜不能以满意的方式实现阳离子传导功能。为了解决上述问题，建议将诸如咪唑、吡唑和苯并咪唑的杂环化合物作为可以取代水的阳离子导体(Journal of The Electrochemical Society, 2007, 154 (4), pp.290-294)。然而，由于分子量低，这些杂环化合物是不能牢固固定到电解质膜上的挥发性物质，并且迄今为止还没有提出任何方法可以将这些挥发性化合物牢固固定到电解质膜上。
技术实现思路
技术问题因此，本专利技术针对的是能够避免现有技术中的这些限制和缺点，用于燃料电池的聚合物电解质膜以及制备该聚合物电解质膜的方法。 本专利技术的一方面是提供一种聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜即使在低湿度和高温度的条件下也能显示高离子传导率。本专利技术的另一方面是提供一种聚合物电解质膜的制备方法，所述聚合物电解质膜即使在低湿度、高温度条件下也能显示高离子传导率。本专利技术的其它优势、目的和特征将部分阐述在下面的说明书中，而另一部分对于查阅下面说明书的本领域技术人员来说将变得显而易见或从本专利技术的实践中领会到。本专利技术的目的或其他优点可通过说明书和其权利要求中特别指出的结构得以实现或获得。技术方案根据本专利技术的一方面，提供一种聚合物电解质膜，包括:多孔衬底；分散在所述多孔衬底中的自质子传导材料(self proton conducting material);和浸入所述多孔衬底中的离子导体，其中所述自质子传导材料包含用唑环功能化的无机粒子。根据本专利技术的另一方面，提供一种聚合物电解质膜的制备方法，该方法包括:制备自质子传导材料分散在其中的多孔衬底；将离子导体浸入到所述多孔衬底中，其中所述自质子传导材料含有用唑环功能化的无机粒子。上面提供的一般描述和下面提供的详细描述仅用于举例说明本专利技术，并应当解释为是对权利要求中限定的本专利技术提供更加详细的描述。有益效果本专利技术的电解质膜即使在100°C或更高的高温和50%或更低的低湿度的条件下也能以令人满意的方式实现阳离子传导功能。而且，本专利技术的电解质膜由于具有包括多孔衬底和浸入其中的离子导体的复合结构而具有优异的机械强度和高耐久性。因此，根据本专利技术，提高了燃料电池的发电效率和系统效率。结合有关的技术特征将在下面详细地描述本专利技术的其它效果。【具体实施方式】下文中，仅为了举例说明的目的将详细描述和解释本专利技术的实施方案。本领域技术人员将理解在不背离本专利技术的范围和精神的情况下可以进行各种改进、添加和替换。因此，本专利技术包括落入权利要求中所描述的本专利技术范围和其等价物内的所有替换、改变。根据本专利技术用于燃料电池的聚合物电解质膜包括多孔衬底、分散在所述多孔衬底中的自质子传导材料，以及浸入到所述多孔衬底中的离子导体。所述多孔衬底提高了所述电解质膜的机械强度，并通过抑制由于水分可能引起的膨胀而改善了其尺寸稳定性。考虑到成本和耐化学性，本专利技术的多孔衬底可以由不溶于有机溶剂的碳氢聚合物形成。术语“不溶于”有机溶剂是指物质在室温和大气压下不能溶解于诸如DMAc、NMP和DMF等的有机溶剂中。例如，可以将尼龙、聚酰亚胺、聚苯并噁唑、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯、它们的共聚物或混合物用作碳氢聚合物以形成多孔衬底。特别是，由于聚酰亚胺或聚苯并噁唑具有不低于500°C的高熔点并使电解质膜具有优异的机械强度，因此适用于在高温下工作的燃料电池的电解质膜。所述聚合物电解质膜中的多孔衬底的含量可以是I至15wt%。如果含量低于lwt%，则该复合电解质膜的机械强度和尺寸稳定性会显著下降。另一方面，如果含量多于15wt%，则该复合电解质膜的离子传导率会显著下降。所述多孔衬底可以是短纤维以三维方式相互连接的无纺布的形式。换句话说，所述多孔衬底可以包括形成三维网络的纤维。具有这种结构的多孔衬底的孔隙率可以是60至90%。如果多孔衬底的孔隙率低于60%，由于表面积低该多孔衬底不能浸入足量的离子导体，因此复合电解质膜的离子传导率不能提高到需要的程度。另一方面，如果多孔衬底的孔隙率多于90%，则电解质膜的机械强度和尺寸稳定性会显著下降。所述多孔衬底可以形成0.05至20 ii m的平均孔径。如果平均孔径低于0.05 U m，则复合电解质膜的离子传导率会显著下降。另一方面，如果平均孔径多于20 ym，则复合电解质膜的机械强度和尺寸稳定性会显著下降。所述多孔衬底可以包括横截面直径为0.005至10 y m的短纤维。如果短纤维的横截面直径低于0.005 u m,则复合电解质膜的机械强度会显著下降。另一方面，如果横截面直径多于10 ym，难以控制多孔衬底的孔隙率。根据本专利技术的一个示例性的实施方案，所述多孔衬底是通过电纺丝工艺形成的聚酰亚胺纳米网。对聚酰亚胺前体进行电纺丝形成聚酰亚胺前体网，然后通过干燥和加热工艺使该聚酰亚胺前体网酰亚胺化获得最终产品聚酰亚胺纳米网。根据本专利技术用于燃料电池的聚合物电解质膜还包括分散在所述多孔衬底中的自质子传导材料。所述自质子传导材料包括用唑环功能化的无机粒子。所述无机粒子是纳米级粒子，可以是二氧化硅、金属氧化物或碱土金属氧化物。具体而言，所述无机粒子可以是SiO2、TiO2、SnO2、CaO、SrO或BaO。所述唑环可 以是吡唑、咪唑、三唑、四唑、噻唑或噁唑。正如下面顺序并示意性说明的水的阳离子传导机制和咪唑的阳离子传导机制中所示的，唑环可以以与水相同的阳离子传导机制自传导阳离子。【权利要求】1.一种聚合物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚合物电解质膜，包括：多孔衬底，分散在所述多孔衬底中的自质子传导材料，和浸入所述多孔衬底中的离子导体，其中，所述自质子传导材料包括用唑环功能化的无机粒子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：李瞳熏，李武锡，金娜玲，慎镛哲，
申请(专利权)人：可隆工业株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR