專利名稱：燃料電池的電解液膜及包括它的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的電解液膜，及包括它的燃料電池，更具體地，本發(fā)明涉及一種自增濕的用于燃料電池的電解液膜及包括所述電解液膜的燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池為將氧化劑與氫或碳?xì)浠衔锘镔|(zhì)如甲醇，乙醇或天然氣之間的化學(xué)反應(yīng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)。
依據(jù)所使用的電解液的類型，燃料電池可以分為磷酸型、熔融碳酸鹽型、固體氧化物型、聚合物電解液型、堿性。雖然每個燃料電池基本上根據(jù)相同的原理運行，但是燃料的種類、工作溫度、催化劑和電解液可以根據(jù)燃料電池的種類而改變。
最近，已經(jīng)開發(fā)出聚合物電解液膜燃料電池(PEMFC)，它們具有比常規(guī)的燃料電池更好的功率特性，及更低的工作溫度，更快的啟動和響應(yīng)特性。該燃料電池有優(yōu)點，因為它們可以應(yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域，如汽車的可移動電源，如家庭和公共建筑的分散電源，及電子裝置的小電源。
聚合物電解液燃料電池基本上由電池組，重整器，燃料罐及燃料泵組成。燃料泵將儲存于燃料罐中的燃料提供給重整器。重整器重整燃料產(chǎn)生氫氣，并將氫氣供應(yīng)給電池組。在電池組中，氫氣與氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
另一種類型的燃料電池為直接氧化燃料電池(DOFC)，其中將液體甲醇燃料直接引入電池組。直接氧化燃料電池可以省略重整器，其在聚合物電解液燃料電池中是必要的。
根據(jù)上述的燃料電池系統(tǒng)，實質(zhì)上發(fā)電的電池組由幾個到幾十個彼此堆疊的單元電池組成。每個單元電池由膜電極組件(MEA)和隔板構(gòu)成。膜電極組件的結(jié)構(gòu)中，也稱為燃料電極或氧化電極的陽極，與也稱為空氣電極或還原電極的陰極通過它們之間的聚合物電解液膜彼此附著。隔板提供將燃料供應(yīng)給陽極和將氧化劑供應(yīng)給陰極的通道，及充當(dāng)連續(xù)地連接每個膜電極組件的陽極和陰極的導(dǎo)體。在運行中，燃料的電化學(xué)氧化反應(yīng)發(fā)生在陽極，而氧化劑的電化學(xué)還原反應(yīng)發(fā)生在陰極。由在該過程中產(chǎn)生的電子遷移，產(chǎn)生電、熱和水。至于在膜電極組件中充當(dāng)電解液的聚合物電解液膜，一般使用氟基電解液膜，例如，全氟磺酸酯離子交聯(lián)聚合物膜。然而，因為直到磺酸基(-SO3H)發(fā)生水合時，氟基聚合物電解液膜才能顯示其質(zhì)子導(dǎo)電性，所以存在額外需要增濕器的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個實施方案中，提供一種用于燃料電池的電解液膜，該電解液膜具有優(yōu)良的吸濕(吸收水分)性能。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，提供一種包括所述電解液膜的燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明的實施方案，用于燃料電池的電解液膜包括質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層和吸濕聚合物層，該吸濕聚合物層布置在所述質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層的一側(cè)或兩側(cè)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，燃料電池包括膜電極組件，該膜電極組件包括上述的電解液膜，及隔板，該隔板與所述膜電極組件的兩側(cè)接觸布置。


引入說明書中并構(gòu)成說明書一部分的附圖，說明了本發(fā)明的實施方案，并與說明部分一起用于解釋本發(fā)明的原理圖1為根據(jù)本發(fā)明實施方案的用于燃料電池的電解液膜的剖視圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實施方案的燃料電池的單元電池的剖視圖；及圖3為根據(jù)實施例2和對比例1制備的燃料電池的電流密度圖。
具體實施例方式
在下面的詳述中，僅通過舉例說明的方法，描述了本發(fā)明的某些實施方案。然而，會意識到，本發(fā)明能夠在各個方面進(jìn)行修改，而不脫離本發(fā)明。因此，認(rèn)為附圖和說明部分在本質(zhì)上是說明性的，而不是限制性的。
圖1為根據(jù)本發(fā)明用于燃料電池的電解液膜的結(jié)構(gòu)剖視圖。如圖1所示，電解液膜10包括質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層11和吸濕聚合物層13和13’，該吸濕聚合物層13和13’布置在所述質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層11的一側(cè)或兩側(cè)。
質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層11一般包括質(zhì)子導(dǎo)電聚合物，該質(zhì)子導(dǎo)電聚合物用作燃料電池的電解液膜的材料。適宜的質(zhì)子導(dǎo)電聚合物包括全氟-基聚合物，苯并咪唑-基聚合物，聚酰亞胺-基聚合物，聚醚酰亞胺-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，及其組合。優(yōu)選地，所述質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層包括選自下列的一種或多種質(zhì)子導(dǎo)電聚合物聚(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，脫氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(間-亞苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，聚(2，5-苯并咪唑)，及其組合。然而，本發(fā)明并不意味著限于這些具體物質(zhì)。
吸濕聚合物層13和13’吸收水并將水提供給質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層。適宜的吸濕聚合物包括具有親水官能團(tuán)的聚合物如丙烯酸基，甲基丙烯酸羥乙酯基，羥基，磺酸基，磷酸基或其組合物。優(yōu)選的聚合物包括聚丙烯酸，聚乙烯醇(PVA)，聚環(huán)氧乙烷(PEO)，聚甲基丙烯酸羥乙酯(PHEMA)及在其支鏈上帶有選自羥基、磺酸基、丙烯酸基或其組合物的親水官能團(tuán)的聚合物。
提供的吸濕聚合物層為多孔薄膜。在一個實施方案中，它們的平均厚度為2～10μm，優(yōu)選地，它們的平均厚度為3～8μm。如果所述吸濕聚合物層的平均厚度低于2μm，那么吸濕聚合物層就不能保持充分的吸濕性。當(dāng)厚度超過10μm時，吸濕聚合物層的質(zhì)子滲透性下降。質(zhì)子經(jīng)水遷移，因為在吸濕聚合物層中的吸濕聚合物吸收水，所以可以保持優(yōu)良的質(zhì)子導(dǎo)電性。
可以通過涂布含吸濕聚合物的組合物或附著多孔膜，形成吸濕聚合物層。適宜的材料包括具有高質(zhì)子滲透性的多孔布或無紡織物。
可以使用常規(guī)的涂布方法形成吸濕聚合物層。
包括質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層和吸濕聚合物層的本發(fā)明的電解液膜，具有優(yōu)良的吸濕性。因而，它可以用于不需要額外的增濕器就能夠驅(qū)動的自增濕燃料電池。
圖2為根據(jù)本發(fā)明實施方案的燃料電池的單元電池的剖視圖。然而，本發(fā)明的燃料電池不限于圖2的燃料電池。
本發(fā)明實施方案的燃料電池包括膜電極組件(MEA)20，該膜電極組件20包括用于燃料電池的電解液膜10，及隔板30，該隔板與所述膜電極組件的兩側(cè)接觸布置。
膜電極組件20包括燃料電池的電解液膜10，陰極催化劑層21a，該陰極催化劑層21a形成在所述電解液膜10的一側(cè)，陽極催化劑層21b，該陽極催化劑層21b形成在所述電解液膜10的另一側(cè)，及一對氣體擴(kuò)散層(GDL)25，一個位于所述陰極催化劑層21a和陽極催化劑層21b的每一個的外表面與所述隔板30之間。任選的微孔層23可以布置在所述陰極催化劑層21a和陽極催化劑層21b的每一個與相應(yīng)的氣體擴(kuò)散層25之間。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，吸濕聚合物層僅布置在所述質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層一側(cè)。在該實施方案中，優(yōu)選將吸濕聚合物層與通過結(jié)合質(zhì)子和氧化劑產(chǎn)生水的陰極催化劑層21a接觸布置。所述氧化劑可以是空氣或氧。
膜電極組件的陰極催化劑層21a和陽極催化劑層21b的適宜的催化劑包括鉑，釕，鋨，鉑-釕合金，鉑-鋨合金，鉑-鈀合金，鉑-M合金，及其組合，其中M為選自下列的至少一種過渡金屬Ga，Ti，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu和Zn。優(yōu)選的催化劑包括鉑，釕，鋨，鉑-釕合金，鉑-鋨合金，鉑-鈀合金，鉑-鈷合金，鉑-鎳合金，及其組合。
膜電極組件的氣體擴(kuò)散層25的適宜的材料包括炭紙或炭布。
微孔層23的適宜的材料為帶有低于幾個微米的微孔的碳層。優(yōu)選的材料包括石墨，碳納米管(CNT)，富勒烯(C60)，活性炭，碳納米突及碳黑。隔板30分別包括多個流道31，燃料和/或空氣能夠經(jīng)過該流道流動。
因為包括所述電解液膜的燃料電池具有優(yōu)良的吸濕性，所以它可以是有或沒有額外的增濕器都可以運行的自增濕燃料電池。
下面的實施例下一步詳細(xì)說明本發(fā)明，但是它們不意味著限制其范圍。
實施例1通過利用刮片，用平均厚度為10μm的聚甲基丙烯酸羥乙酯(PHEMA)膜，涂布由DuPont公司生產(chǎn)的Nafion制成的聚(全氟磺酸)膜的兩側(cè)，制得用于燃料電池的電解液膜。
實施例2通過利用刮片，用平均厚度為5μm的聚甲基丙烯酸羥乙酯(PHEMA)膜，涂布聚(全氟磺酸)膜(由DuPont公司生產(chǎn)的Nafion)的兩側(cè)，制得用于燃料電池的電解液膜。
實施例3通過利用刮片，用平均厚度為10μm的聚環(huán)氧乙烷(PEO)膜，涂布聚(全氟磺酸)膜(由DuPont公司生產(chǎn)的Nafion)的兩側(cè)，制得用于燃料電池的電解液膜。
實施例4通過在兩片炭布上形成包括鉑催化劑的陰極催化劑層和陽極催化劑層，并將所述陰極催化劑層和陽極催化劑層布置在根據(jù)實施例1制得的電解液膜的兩側(cè)，制得膜電極組件。
隨后，通過將隔板，即，具有流道的雙極板放置在每個膜電極組件的兩側(cè)，制成多個單元電池，然后彼此堆疊所述單元電池，制得燃料電池。
實施例5按照如實施例4相同的方法，制得燃料電池，所不同的是，使用在實施例2中制得的電解液膜。
實施例6按照如實施例4相同的方法，制得燃料電池，所不同的是，使用在實施例3中制得的電解液膜。
對比例1按照如實施例4相同的方法，制得燃料電池，所不同的是，使用聚(全氟磺酸)膜(由DuPont公司生產(chǎn)的Nafion)作為燃料電池的電解液膜。
對比例2將全氟磺酸樹脂的醇溶液澆鑄成厚度為5μm的膜。然后，將丙烯酸樹脂與全氟磺酸樹脂的醇溶液混合，將混合物溶液澆鑄成厚度為90μm的中間層。隨后，通過澆鑄如在上面使用的全氟磺酸樹脂的醇溶液，在所述中間層的頂部形成厚度為5μm的一層，制得燃料電池的電解液膜。
按照如實施例4相同的方法，制得燃料電池，所不同的是，使用上面制得的電解液膜。
關(guān)于根據(jù)實施例1制得的燃料電池的電解液膜和用在對比例1中的聚(全氟磺酸)膜，測量吸濕性和質(zhì)子導(dǎo)電性。當(dāng)水汽流向各自的燃料電池的電解液膜5小時的時候，通過稱重所吸收水的量，測量吸濕性，并通過利用質(zhì)子電導(dǎo)率測量儀器測量質(zhì)子電導(dǎo)率。測量結(jié)果示于表1。
表1

從表1中可以看出，根據(jù)本發(fā)明實施例1制得的聚合物電解液膜的吸濕性是對比例1的電解液膜的5倍高，它還具有優(yōu)良的質(zhì)子導(dǎo)電性。并且，通過不附加額外的增濕器運行燃料電池，測量了根據(jù)實施例2和對比例1制得的燃料電池的電流密度。測量結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，雖然它沒有額外的增濕器，但是本發(fā)明的燃料電池具有優(yōu)良的電流密度。
在本發(fā)明中提出的用于燃料電池的電解液膜，具有優(yōu)點，它具有優(yōu)良的吸濕性并且它可以用于自增濕燃料電池。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的電解液膜，包括質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層；及吸濕聚合物層，該吸濕聚合物層位于所述質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層的至少一側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電解液膜，其中所述吸濕聚合物層包括選自下列的材料全氟-基聚合物，苯并咪唑-基聚合物，聚酰亞胺-基聚合物，聚醚酰亞胺-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，及其組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電解液膜，其中所述質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層包括選自下列的材料聚(全氟磺酸)，聚(全氟羧酸)，四氟乙烯和氟乙烯基醚的包含磺酸官能團(tuán)的共聚物，脫氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(間-亞苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，聚(2，5-苯并咪唑)，及其組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電解液膜，其中所述吸濕聚合物層包括至少一種聚合物，該聚合物具有選自下列的親水官能團(tuán)丙烯酸基，甲基丙烯酸羥乙酯基，羥基，磺酸基，磷酸基，及其組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的電解液膜，其中所述吸濕聚合物層包括至少一種選自下列的聚合物聚丙烯酸，聚乙烯醇(PVA)，聚環(huán)氧乙烷(PEO)，聚甲基丙烯酸羥乙酯(PHEMA)，及具有選自羥基、磺酸基、丙烯酸基及其組合的親水官能團(tuán)的聚合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的電解液膜，其中所述吸濕聚合物層的厚度為2～10μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的電解液膜，其中所述吸濕聚合物層的厚度為3～8μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的電解液膜，其中所述吸濕聚合物層為多孔膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的電解液膜，其中所述吸濕聚合物層為多孔布或無紡織物。
10.一種燃料電池，包括膜電極組件，該膜電極組件包括用于燃料電池的電解液膜，該電解液膜包括質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層和位于該質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層側(cè)面的至少一層吸濕聚合物層；及一對隔板，各自位于所述膜電極組件的一側(cè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池，還包括陰極催化劑層，該陰極催化劑層形成在所述電解液膜的第一側(cè)；陽極催化劑層，該陽極催化劑層形成在所述電解液膜的第二側(cè)；及一對氣體擴(kuò)散層，一層與所述陰極催化劑層接觸，另一層與所述陽極催化劑層接觸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的燃料電池，其中僅有一層吸濕聚合物層布置在質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層朝向陰極催化劑層的一側(cè)上。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的燃料電池，其中所述膜電極組件的陰極催化劑層和陽極催化劑層各自獨立地包括選自下列的催化劑鉑，釕，鋨，鉑-釕合金，鉑-鋨合金，鉑-鈀合金，鉑-M合金，及其組合，這里M為至少一種選自下列的過渡金屬Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的燃料電池，其中所述膜電極組件的陰極催化劑層和陽極催化劑層各自獨立地包括選自下列的催化劑鉑，釕，鋨，鉑-釕合金，鉑-鋨合金，鉑-鈀合金，鉑-鈷合金，鉑-鎳合金，及其組合。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的燃料電池，其中所述氣體擴(kuò)散層是由炭紙或炭布構(gòu)成的。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的燃料電池，還包括至少一層微孔層，該微孔層位于催化劑層之一與相應(yīng)的氣體擴(kuò)散層之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的燃料電池，其中所述微孔層包括選自下列的材料石墨，碳納米管(CNT)，富勒烯(C60)，活性炭，碳納米突，及碳黑。
18.根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池，其中該燃料電池為不需要額外的增濕器的自增濕燃料電池。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于燃料電池的電解液膜及包括它的燃料電池。所述用于燃料電池的電解液膜包括質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層和吸濕聚合物層，該吸濕聚合物層布置在所述質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層的一側(cè)或兩側(cè)。所述電解液膜具有優(yōu)良的吸濕性能并能夠用于自增濕的燃料電池。
文檔編號H01M2/16GK1716670SQ20051008137
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者盧亨坤 申請人:三星Sdi株式會社