聚合物电解质膜、包括它的膜电极组件和燃料电池制造技术

聚合物电解质膜，包括氟化聚合物膜和在所述氟化聚合物膜的至少一个表面上的涂层，所述涂层包括烃类离聚物。所述聚合物电解质膜在高温和低湿条件下保持高的氢离子电导率，并且具有改善的性能。还公开了包括所述聚合物电解质膜的膜电极组件和燃料电池。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】 相关申请的交叉引用 本申请要求于2014年2月17日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请 10-2014-0018037的优先权和权益，该公开的全部内容通过引用合并于此。
本专利技术的一个或多个实施方式涉及聚合物电解质膜、包括所述聚合物电解质膜的 膜电极组件和燃料电池。
技术介绍
燃料电池的典型实例为聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC)、直接甲醇燃料电 池（DMFC)、磷酸燃料电池（PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC)、或固体氧化物燃料电池 (SOFC)。 PEMFC被认为是具有高效率、高功率密度、低驱动温度和环境友好性能，并且可能 代替传统的能量转换装置的系统。PEMFC通常包括膜电极组件（MEA)，所述膜电极组件包括阳极、阴极以及在所述阳 极和所述阴极之间的聚合物电解质膜。 通常使用氟化聚合物电解质膜和烃类聚合物电解质膜作为用于PEMFC中的聚合 物电解质膜。氟化聚合物电解质膜具有良好的离子电导率、化学稳定性和离子选择性。然 而，氟化聚合物电解质膜价格昂贵，具有高的氢气渗透性，并且在80°C或80°C以上的温度 下具有降低的效率。
技术实现思路
本专利技术的一个或多个实施方式涉及聚合物电解质膜，所述聚合物电解质膜提供减 少的氢气交换，而不会大幅度降低氢离子电导率，并且在高温和低湿条件下具有改善的性 能。 本专利技术的一个或多个实施方式包括膜电极组件，所述膜电极组件包括所述聚合物 电解质膜。 本专利技术的一个或多个实施方式包括燃料电池，所述燃料电池包括所述聚合物电解 质膜。 将在以下说明中部分阐述其他方面，并且部分这些方面通过说明而变得显而易 见，或者可以通过实施所呈现的实施方式来领会。 根据本专利技术的一个或多个实施方式，聚合物电解质膜包括氟化聚合物膜和在所述 氟化聚合物膜的至少一个表面上的涂层，所述涂层包括烃类离聚物。 所述涂层的厚度可为约IOnm至约50Iim。 所述涂层可包括烃类离聚物组合物，所述烃类离聚物组合物包括所述烃类离聚 物。 基于所述烃类离聚物组合物的总重量，所述烃类离聚物的浓度可为约0.lwt%至 约 50wt% 所述涂层可包括所述烃类离聚物和氟化离聚物的共混物。 所述烃类离聚物与所述氟化离聚物的重量比可为约1:99至约99:1。 所述涂层可进一步包括无机添加剂。 所述氟化聚合物膜的厚度可为约3iim至约30iim。 所述氟化聚合物膜可进一步包括自由基清除剂。 根据本专利技术的一个或多个实施方式，膜电极组件包括阴极、阳极以及在所述阴极 和所述阳极之间的所述聚合物电解质膜。 可使所述膜电极组件适于在90°C或更高的温度以及50%或更低的相对湿度下可 操作。 根据本专利技术的一个或多个实施方式，燃料电池包括阴极、阳极以及在所述阴极和 所述阳极之间的所述聚合物电解质膜。 所述燃料电池可用于汽车。【附图说明】 由以下结合附图的实施方式说明中，本专利技术的实施方式的这些和/或其它方面将 变得显而易见且更容易理解，其中 ： 图1为根据本专利技术的实施方式的聚合物电解质膜200的示意图。 图2为根据本专利技术的实施方式的膜电极组件（MEA) 10的截面示意图。 图3为根据本专利技术的实施方式的燃料电池1的分解透视图。 图4A为实施例2的聚合物电解质膜的扫描电子显微镜（SEM)图像。 图4B为在初始性能测试之后实施例9的膜电极组件的SEM图像。 图5为在70kPa、50% -50% (阴极-阳极）的相对湿度和90°C的温度下，实施例 8、12和14的膜电极组件的电流密度、功率密度和槽电压的比较图。【具体实施方式】 现将详细参考实施方式，其中的实施例在附图中说明，其中全文中相似的附图标 记代表相似的元件。在这点上，本实施方式可具有不同的形式并且不应被理解为限于在此 阐述的说明。因此，仅通过参照【附图说明】实施方式，以解释本说明书的方面。如本文使用的， 术语"和/或"包括列举的相关项目的一个或多个的任意和所有组合。当处于一系列要素之 前时，例如"至少一种"的表述修饰的是全部系列的要素，而并非修饰的系列中的个别要素。 此外，当描述本专利技术的实施方式时，"可"的使用指的是"本专利技术的一个或多个实施方式"。 以下，将描述根据本专利技术的实施方式的聚合物电解质膜、包括所述聚合物电解质 膜的膜电极组件和燃料电池。 根据一个实施方式，聚合物电解质膜包括氟化聚合物膜和在所述氟化聚合物膜的 至少一个表面上的涂层，所述涂层包括烃类离聚物。 聚合物电解质膜为燃料电池的一种基本元件中，并且可以影响燃料电池的性能和 价格。为了有效驱动聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC)，所述聚合物电解质膜必须具有高 的氢离子电导率、良好的化学稳定性、低燃料渗透性、高机械强度、低水分含量和良好的尺 寸稳定性。例如，烃类聚合物电解质膜在高温（例如，在90°C或大于90°C下）和低湿条件 下（例如，在50%或更低的相对湿度下）具有低氢离子电导率，和不规则的界面性能。因 此，烃类聚合物电解质膜的耐久性相对较弱。氟化聚合物电解质膜可具有良好的氢离子电 导率、化学稳定性和离子选择性，但是会要求复杂的制造过程，并因此具有高价格。 图1为根据一个实施方式的聚合物电解质膜200的示意图。 聚合物电解质膜200包括氟化聚合物电解质膜201以及涂层202和203。至少一 个涂层在氟化聚合物电解质膜201的表面上包括烃类离聚物。因此，氟化聚合物电解质膜 201防止或减少在高温和低湿条件下氢离子电导率的降低，同时保持减少的氢气渗透性，从 而提供具有改善性能的膜电极组件和燃料电池。 如本文使用的，烃类离聚物为包括主烃链的离聚物，并且可包括小摩尔分数的诸 如氧、氮、硫和/或磷的非碳元素。 烃类离聚物可选自聚醚砜、交联的聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酸、聚乙烯基磺酸、聚 (2-丙烯酰胺-2-甲基丙基磺酸）、磺化聚酰亚胺、磺化聚砜、磺基烷基化聚砜、磺化聚碳酸 酯、被磺基苯氧基苄基取代的聚（对亚苯基）、磺化聚喹喔啉、磺化（膦酸化）聚膦腈、磺化 聚酮、磺化聚（苯撑氧化物）、聚苯并咪唑、磺化聚醚砜、磺化聚醚酮、磺化聚醚醚酮、磺化聚 苯硫醚、磺化聚亚苯基砜、磺化聚苯硫醚砜、磺化聚苯硫醚砜腈、磺化聚硫醚酮、磺化聚亚芳 基醚、磺化聚亚芳基醚腈、磺化聚亚芳基醚腈、磺化聚亚芳基醚砜酮和磺化聚亚芳基醚砜。 各涂层的厚度可为例如约IOnm至约50iim，约IOOnm至约30iim，或约IOOnm至约 20iim。具有在这些范围内的厚度的涂层可减少氢气的交换，而不会大幅度增加聚合物电解 质膜的电阻，从而改善包括所述聚合物电解质膜的膜电极组件和燃料电池的性能。 烃类离聚物组合物中可包括所述烃类离聚物。可通过向烃类离聚物加入溶剂获得 烃类离聚物组合物。所述溶剂可为任何合适的溶剂，包括但不限于水、N-甲基-2-吡咯烷 酮、N，N' -二甲基乙酰胺、N，N' -二甲基甲酰胺、N，N' -二甲基咪唑啉酮、Y-丁内酯、四氢 呋喃、环己酮和二甲基亚砜中的一种或更多种。 基于烃类离聚物组合物的总重量，烃类离聚物的含量可为约0.lwt%至约 50wt%。在一些实施方式中，基于烃类离聚物组合物的总重量，烃类离聚物的含量可为约 0.1界1: (%至约3〇￥1:(%。 形成涂层的方法的实例包括喷涂、棒涂、浸涂、流涂、溶液流延、丝网印刷、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚合物电解质膜，所述聚合物电解质膜包括氟化聚合物膜和在所述氟化聚合物膜的至少一个表面上的涂层，所述涂层包括烃类离聚物。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：金埈永，金娟秀，金泰允，金熙卓，李辰华，尹福天，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR