聚合物电解质膜、包含该聚合物电解质膜的膜电极组件以及包含该膜电极组件的燃料电池制造技术

本申请提供了一种聚合物电解质膜、一种包括该聚合物电解质膜的膜电极组件以及一种包括该膜电极组件的燃料电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】聚合物电解质膜、包含该聚合物电解质膜的膜电极组件以及包含该膜电极组件的燃料电池
本申请要求于2013年4月29日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2013-0047773、于2013年5月2日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2013-0049424、于2013年11月1日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2013-0132160以及于2013年11月26日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2013-0144440的优先权以及权益，将这些专利申请的全部内容通过引用的方式并入本申请中。本申请提供一种聚合物电解质膜、一种包含该聚合物电解质膜的膜电极组件以及一种包含该膜电极组件的燃料电池。
技术介绍
燃料电池是高效的发电装置，由于与现有内燃机相比的高效率具有燃料使用量低的优点，而且其是不产生例如SOx、NOx、VOC等环境污染物的无污染能量源。另外，还有对生产设备要求的区域面积小、施工周期短的附加优点。因此，燃料电池在包括例如便携式装置的移动电源、例如车辆的交通电源，以及家用的分散发电设备和电力产业中有广泛的应用。特别是，当燃料电池汽车这种新一代交通工具的商业化时，潜在市场规模有望扩大。根据工作温度和电解质将燃料电池大致分为5类，具体地包括碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)。其中，具有优异移动性的聚合物电解质膜燃料电池和直接甲醇燃料电池作为未来的电源受到的广泛地关注。聚合物电解质膜燃料电池的基本原理是将气体扩散电极层配置在聚合物电解质膜的两个表面上，通过使阳极面向燃料电极且阴极面向氧化电极通过聚合物电解质膜进行化学反应产生水，由此产生的反应能量转变为电能。离子-导电聚合物电解质膜的典型实例可以包括Nafion，一种由美国杜邦于1960年代早期开发的全氟化氢离子交换膜。除了Nafion以外，类似的商业化的全氟化聚合物电解质膜包括AsahiKaseiChemicalsCorporation制造的Aciplex-S膜、DowChemicalCompany制造的Dow膜、AsahiGlassCo.,Ltd.制造的Flemion膜等。现有的商业化的全氟化聚合物电解质膜具有耐化学性、抗氧化性和优异的离子电导性，但是还具有价格昂贵以及在制造过程中由于中间产物的毒性引起环境问题的问题。因此，为了弥补这种全氟化聚合物电解质膜的缺点，研究了将羧基、磺酸基等引入芳香环聚合物中的聚合物电解质膜。其实例包括磺化聚芳醚砜[JournalofMembraneScience，1993,83,211]，磺化聚醚醚酮[日本专利申请公开出版号H06-93114，美国专利号5,438,082]，磺化聚酰亚胺[美国专利号6,245,881]等。根据温度和水化度，聚合物电解质膜膜厚度和体积随之产生15至30％的变化，因此，所述电解质膜根据燃料电池的工作条件反复膨胀和收缩，而且由于这种体积变化会出现微孔和裂缝。另外，作为副反应，由阴极中的氧气的还原反应会产生过氧化氢(H2O2)或过氧自由基，这可能会导致电解质膜的降解。鉴于在燃料电池工作期间可能发生的这种现象，在改善机械和化学耐久性方面，开发了用于燃料电池的聚合物电解质膜。为了改善机械耐久性进行的研究包括：通过将Nafion溶液(5％重量浓度)引入e-PTFE(美国专利号5,547,551)中制备的强化复合电解质膜以及将具有优异的尺寸稳定性的聚合物引入磺化碳氢化合物类聚合物材料(韩国专利号10-0746339)中制备的聚合物混合复合膜等。另外，W.L.Gore&Associates引进了一种商业化的商品名为GoreSelect的强化复合电解质膜产品。在强化复合电解质膜中，使用多孔支撑体以提供机械性能和尺寸稳定性。多孔支撑体需要在保持机械耐久性的同时不使性能下降，因此，需要选择由具有高孔隙率和优异的机械性能的合适材料制备的支撑体。另外，膜的导电性根据将离子导电体浸泡至支撑体中的方法和离子导电体的种类会发生很大的变化，因此，需要开发浸泡离子导电体的有效的方法以及适用于强化复合电解质膜的离子导电体。
技术实现思路
技术问题本申请的目的在于提供一种聚合物电解质膜，另外，提供一种包含该聚合物电解质膜的膜电极组件以及一种包含该膜电极组件的燃料电池。技术方案本申请的一个实施方案提供了一种包括含有离子迁移区以及具有3维网络结构的支撑体的混合层的聚合物电解质膜，其中，所述离子迁移区具有两个以上包含有离子导电材料的单元3维邻接的结构，而且，该离子迁移区包含大于等于60体积％且小于等于100体积％的离子导电材料。本申请的一个实施方案提供了一种包括含有离子迁移区以及具有3维网络结构的支撑体的混合层的聚合物电解质膜，其中，所述离子迁移区具有两个以上包含有离子导电材料的单元3维邻接的结构，而且，当1)通过在80℃下将聚合物电解质膜在能够溶解所述离子导电材料的溶剂中搅拌3次、每次3小时，将离子导电材料从支撑体中分离，2)将包含有从支撑体中分离的离子导电材料的溶液涂覆在衬底上，通过将产物在100℃下干燥24小时以去除溶剂，然后测量离子导电材料的体积，以及3)用甲醇清洗所述支撑体，在100℃下将产物干燥24小时，然后测量支撑体中的空间的体积时，所述离子导电材料相对于支撑体内的空间的体积的体积比为大于等于0.6且小于等于1。本申请的一个实施方案提供了一种包括含有离子迁移区以及具有3维网络结构的支撑体的混合层的聚合物电解质膜，其中，所述离子迁移区具有两个以上包含有离子导电材料的单元3维邻接的结构，而且所述聚合物电解质膜在混合层的上表面、下表面或上表面和下表面还包括只含有所述离子导电材料的纯粹层，其中，当1)测量所述聚合物电解质膜的质量并测量所述纯粹层的体积，2)通过在80℃下将聚合物电解质膜在能够溶解所述离子导电材料的溶剂中搅拌3次、每次3小时，将离子导电材料从支撑体中分离，3)将所述包含有从支撑体中分离的离子导电材料的溶液涂覆在衬底上，通过将产物在100℃下干燥24小时以去除溶剂，然后测量离子导电材料的质量和密度，4)用甲醇清洗所述支撑体，在100℃下将产物干燥24小时，然后测量支撑体中的空间的体积，5)由离子导电材料的密度和纯粹层的体积测量纯粹层的质量，以及6)通过从离子导电材料的质量中减去纯粹层的质量测量在混合层中包含的离子导电材料的质量，然后通过在混合层中包含的离子导电材料的质量和离子导电材料的密度计算在混合层中包含的离子导电材料的体积时，所述在混合层中包含的离子导电材料相对于支撑体内的空间的体积的体积比为大于等于0.6且小于等于1。本申请的一个实施方案提供了一种包括所述聚合物电解质膜的膜电极组件。本申请的一个实施方案提供了一种包括所述膜电极组件的燃料电池。有益效果根据本申请的一个实施方案的聚合物电解质膜具有优异的耐久性的优点。特别地，在燃料电池中利用根据本申请的一个实施方案的包括有该聚合物电解质膜的膜电极组件可以有助于增强所述燃料电池的性能。也就是说，根据本申请的一个实施方案的聚合物电解质膜使由反复高温潮湿和干燥的燃料电池工作环境导致的聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜包括含有离子迁移区以及具有3维网络结构的支撑体的混合层，其中，所述离子迁移区具有两个以上包含离子导电材料的单元3维邻接的结构，以及，该离子迁移区包括大于等于60体积％且小于等于100体积％的离子导电材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.04.29 KR 10-2013-0047773;2013.05.02 KR 10-2011.一种聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜包括含有离子迁移区以及具有3维网络结构的支撑体的混合层，其中，所述离子迁移区具有两个以上包含离子导电材料的单元3维邻接的结构，以及，该离子迁移区包括大于等于60体积％且小于等于100体积％的所述离子导电材料，该聚合物电解质膜还包括在所述混合层的上表面以及下表面上提供的只含有所述离子导电材料的纯粹层，在所述混合层的所述上表面和所述下表面提供的所述纯粹层之间的厚度差是混合层厚度的50％以下，该聚合物电解质膜的总厚度为大于等于3μm且小于等于36μm，所述单元的最大直径的平均值为大于等于0.25μm且小于等于0.4μm，而且所述单元的最大直径的标准偏差为大于等于0.05μm且小于等于0.2μm，所述混合层在1μm3的任一区域内包括大于等于10且小于等于400个的单元，其中，所述混合层相对于所述聚合物电解质膜的总厚度的厚度比是大于等于65％且小于等于95％，其中，所述混合层的厚度为大于等于1μm且小于等于30μm，其中，所述离子导电材料包括磺化聚醚酮类聚合物，其中，所述支撑体包括聚烯烃、聚酰胺、聚酯、聚缩醛、聚硫化物、聚乙烯醇、它们的共聚物以及它们的组合。2.一种聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜包括含有离子迁移区以及具有3维网络结构的支撑体的混合层，其中，所述离子迁移区具有两个以上包含离子导电材料的单元3维邻接的结构，而且，当1)通过在80℃下将所述聚合物电解质膜在能够溶解所述离子导电材料的溶剂中搅拌3次、每次3小时，将所述离子导电材料从支撑体中分离，2)将从所述支撑体中分离的包含所述离子导电材料的溶液涂覆在衬底上，通过将产物在100℃下干燥24小时去除所述溶剂，然后测量所述离子导电材料的体积，以及3)用甲醇洗涤所述所述支撑体，在100℃下将所述产物干燥24小时，然后测量所述支撑体中的空间的体积时，所述离子导电材料相对于所述支撑体内的空间的体积的体积比为大于等于0.6且小于等于1，该聚合物电解质膜还包括在所述混合层的上表面以及下表面上提供的只含有所述离子导电材料的纯粹层，在所述混合层的所述上表面和所述下表面提供的所述纯粹层之间的厚度差是所述混合层厚度的50％以下，该聚合物电解质膜的总厚度为大于等于3μm且小于等于36μm，所述单元的最大直径的平均值为大于等于0.25μm且小于等于0.4μm，而且所述单元的最大直径的标准偏差为大于等于0.05μm且小于等于0.2μm，所述混合层在1μm3的任一区域内包括大于等于10且小于等于400个的单元，其中，所述混合层相对于所述聚合物电解质膜的总厚度的厚度比是大于等于65％且小于等于95％，其中，所述混合层的厚度为大于等于1μm且小于等于30μm，其中，所述离子导电材料包括磺化聚醚酮类聚合物，其中，所述支撑体包括聚烯烃、聚酰胺、聚酯、聚缩醛、聚硫化物、聚乙烯醇、它们的共聚物以及它们的组合。3.一种聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜包括含有离子迁移区以及具有3维网络结构的支撑体的混合层，其中，所述离子迁移区具有两个以上包含离子导电材料的单元3维邻接的结构，而且所述聚合物电解质膜在所述混合层的上表面以及下表面还包括只含有所述离子导电材料的纯粹层，其中，当1)测量所述聚合物电解质膜的质量并测量所述纯粹层的体积，2)通过在80℃下将所述聚合物电解质膜在能够溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴永善，闵敏圭，金赫，崔盛皓，李祥雨，金度莹，
申请(专利权)人：LG化学株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR