燃料电池用膜电极组件,其制备方法及燃料电池系统技术方案

本发明专利技术提供一种用于燃料电池的膜电极组件，一种制备该膜电极组件的方法，和一种包括该膜电极组件的燃料电池系统。所述膜电极组件包括相对布置的阳极和阴极，和置于所述阳极和阴极之间的聚合物电解质膜。所述聚合物电解质膜具有表面粗糙度，并且金属层在所述膜的至少一侧上随机地形成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于燃料电池的膜电极组件，一种制备该膜电极组件的方法，以及包括该膜电极组件的燃料电池系统。
技术介绍
燃料电池是通过氧化剂和诸如氢气或烃类物质的燃料进行电化学氧化还原反应产生电能的发电系统，所述烃类物质例如甲醇、乙醇、天然气等。这样的燃料电池是一种能替代矿物燃料的清洁能源。它包括由单位电池组成的电池堆，并产生各种范围的功率输出。由于其具有小型锂电池四到十倍的能量密度，已重点用作小型便携能源。典型的示例性的燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接氧化燃料电池(DOFC)。直接氧化燃料电池包括以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池。聚合物电解质燃料电池虽然具有高能量密度和高功率的优点，但缺点在于需要谨慎处理氢气，并需要辅助设备，例如用于重整烃类气体以产生作为燃料气的氢气的燃料重整处理器。相反，直接氧化燃料电池的能量密度比所述气体型燃料电池低，但是它的优点是液体型燃料易于处理，运行温度低，并且不需额外的燃料重整处理器。所以，已被认为是合适的用于小型普通电器设备的便携能源系统。在上述燃料电池中，发电的电池堆基本包括几个到许多个相邻堆叠的单元电池。每个单元电池由膜电极组件(MEA)和隔板(也称为双极板)形成。膜电极组件由阳极(也称为“燃料电极”或“氧化电极”)和阴极(也称为“空气电极”或“还原电极”)构成，该阳极和阴极被聚合物电解质膜分隔。-->燃料被提供到阳极并吸附在阳极催化剂上，该燃料被氧化以产生质子和电子。电子通过外部电路移动到阴极，质子则通过聚合物电解质膜也移动到阴极。此外，氧化剂被提供到阴极，然后氧化剂、质子和电子在阴极催化剂上反应产生电和水。一种具有良好的导电性、机械性能和耐化学品性的全氟磺酸树脂膜(NAFION)通常用作聚合物电解质膜。该全氟磺酸树脂膜具有130～180μm的厚度以抑制烃燃料的横穿(crossover)。然而，该全氟磺酸树脂膜越厚，质子传导性越差，聚合物电解质膜的费用也越高。特别地，取决于温度和水化程度，与铂催化剂电极热压在一起的聚合物电解质膜经过15～30％的膜厚度和体积改变，并导致以3～50wt％甲醇作为燃料时，最大超过200％的体积改变。电解质膜这样的厚度增加对作为电极基板的气体扩散层施加了压力，所以在长期运行中，在表面方向上的尺寸改变引起催化剂颗粒和电解质膜之间的界面上的物理性能恶化。
技术实现思路
本专利技术的一个实施方式提供了一种膜电极组件，其在聚合物电解质膜和催化剂层之间具有极好的粘附力，在聚合物电解质膜中具有良好的保水性，并减少由于渗透压的降低而引起的燃料的横穿，从而提高了电池性能。本专利技术的另一个实施方式提供了一种制备所述燃料电池用膜电极组件的方法。本专利技术的又一个实施方式提供了一种包括所述膜电极组件的燃料电池系统。根据本专利技术的一个实施方式，提供了一种膜电极组件，其包括：相对布置的阳极和阴极；和置于所述阳极和阴极之间的聚合物电解质膜。所述聚合物电解质膜具有表面粗糙度，并且金属层在所述膜的至少一侧上随机布置。根据本专利技术的再一个实施方式，提供了一种制备膜电极组件的方法，包括如下过程。表面处理所述膜使其具有表面粗糙度，在该具有表面粗糙度的-->膜上形成金属层来制备聚合物电解质膜，并将该聚合物电解质膜置于阳极和阴极之间。根据本专利技术的又一个实施方式，提供了一种燃料电池系统，其包括：发电元件；向所述发电元件供给燃料的燃料供给装置；和向所述发电元件供给氧化剂的氧化剂供给装置。所述发电元件包括膜电极组件和位于该膜电极组件每一侧的隔板，并且该发电元件通过燃料和氧化剂之间的电化学反应来发电。附图说明图1是根据本专利技术的一个实施方式的膜电极组件的截面示意图；图2是根据本专利技术的另一个实施方式制备膜电极组件的方法的流程示意图；图3是根据本专利技术的另一个实施方式的燃料电池系统的结构示意图；图4是在根据实施例1制备单电池的过程中，经喷沙表面处理后的聚合物电解质膜横断面的扫描电镜(SEM)照片；图5是在根据实施例1制备单电池的过程中，经喷沙表面处理后的聚合物电解质膜表面的SEM照片；图6是在根据实施例1制备单电池的过程中，通过Au溅射置于经表面处理的聚合物电解质膜上的金属层表面的SEM照片(比例尺大小：1μm)；图7是在根据实施例1制备单电池的过程中，通过Au溅射置于经表面处理的聚合物电解质膜上的金属层表面的SEM照片(比例尺大小：40μm)；图8A是在根据实施例1制备单电池的过程中，包括通过Au溅射置于经表面处理的聚合物电解质膜上的金属层的聚合物电解质膜横断面的SEM照片；图8B是图8A中金属层的局部放大图；图9A是根据实施例3、对比例1和对比例2制备的聚合物电解质膜在真空烘箱中60℃干燥1小时后，用差示扫描量热仪(DSC)测得的保水性曲-->线图；图9B是根据实施例3、对比例1和对比例2制备的聚合物电解质膜在60℃下用蒸馏水浸润1小时并干燥后，用差示扫描量热仪(DSC)测得的保水性曲线图；图10A是根据实施例3和对比例1制备的膜电极组件在50℃下的CO溶出伏安法的曲线图；图10B是根据实施例3和对比例1制备的膜电极组件在70℃下的CO溶出伏安法的曲线图。具体实施方式根据本专利技术的一个实施方式的燃料电池的膜电极组件由聚合物电解质膜和位于该聚合物电解质膜两侧的阳极和阴极构成。所述膜电极组件通过燃料的氧化和氧化剂的还原来发电。这样的膜电极组件的所述反应受聚合物电解质膜与电极之间界面的粘附力和接触面积影响。所述粘附力和接触面积越大，反应发生得越好。一般来说，聚合物电解质膜是一种全氟磺酸树脂膜。越厚的全氟磺酸树脂膜其尺寸稳定性和机械性能越好，但是会提高膜的阻抗。越薄的膜提供越低的膜阻抗，但是降低了机械性能，从而未反应的燃料气体和液体倾向于穿过聚合物膜而造成运行过程中未反应燃料的流失以及较低的电池性能。并且，在使用如甲醇、乙醇和丙醇的烃类燃料的直接氧化燃料电池中，由于烃类燃料通过聚合物电解质膜转移到阴极，并在阴极中氧化，阴极中氧化剂还原空间减小，降低了电池的性能。所以，希望开发一种控制聚合物电解质膜和电极之间的界面的技术，和一种控制物理和化学界面性质的技术来防止膜电极组件的耐受力由于催化剂层的分离而恶化，从而使电极催化剂的效率最大化。根据本专利技术的一个实施方式，有可能提高聚合物电解质膜和催化剂层间的粘附力，增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的膜电极组件，包括：　　　　相对布置的阳极和阴极；和　　　　聚合物电解质膜，所述膜置于所述阳极和阴极之间，且在所述膜至少一个侧面具有表面粗糙度，以及　　　　在所述膜至少一侧上、随机形成的金属层。

【技术特征摘要】
KR 2006-8-31 10-2006-00835241.一种用于燃料电池的膜电极组件，包括：
相对布置的阳极和阴极；和
聚合物电解质膜，所述膜置于所述阳极和阴极之间，且在所述膜至少一个
侧面具有表面粗糙度，以及
在所述膜至少一侧上、随机形成的金属层。
2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述膜的平均表面粗糙度为
200nm～2μm。
3.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述膜在其一侧或两侧被图案
化。
4.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述膜包含具有质子传导性的
聚合物树脂。
5.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述膜包含在其侧链具有阳离
子交换基团的聚合物树脂，所述阳离子交换基团选自由磺酸基团、羧酸基团、
磷酸基团、膦酸基团及其衍生物所组成的组中。
6.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述金属层具有纳米结的形式。
7.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述金属层布置于所述膜与阳
极相邻的一侧。
8.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述金属层包含选自由Au、
Pt、Ru、W、Pd、Fe及其合金所组成的组中的金属。
9.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述聚合物电解质膜和金属层
的厚度比在25∶1～1500∶1的范围内。
10.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述金属层的厚度在100nm～
2μm的范围内。
11.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述金属层在所述膜的两侧
随机形成。
-->12.一种制备用于燃料电池的膜电极组件的方法，包括：
通过表面处理在聚合物电解质膜的表面形成表面粗糙度；
在具有表面粗糙度的聚合物电解质膜上形成金属层；和
在所述聚合物电解质膜上形成阳极和阴极。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述膜包含...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩相日，孙寅赫，张文烨，李翰奎，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[]