[發明專利]燃料電池用膜電極組件,其制備方法以及燃料電池系統

無效

• 申請號: 200710090331.9
• 申請日: 2007-04-04
• 公開（公告）號: CN101051693A
• 公開（公告）日: 2007-10-10
• 發明（設計）人: 韓相日;孫寅赫
• 申請（專利權）人: 三星SDI株式會社
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/86;H01M4/88;H01M8/10;H01M8/24;H01M8/04
• 代理公司: 北京德琦知識產權代理有限公司
• 代理人: 王珍仙;王琦

技術領域

本發明涉及用于燃料電池的膜電極組件，制造該膜電極組件的方法，以及包括該膜電極組件的燃料電池系統。本發明具體涉及由于增加了聚合物電解質膜和催化劑層之間的反應表面積而改進了功率特性的膜電極組件。

背景技術

燃料電池是采用烴類物質，通過氧化劑和氫的電化學氧化還原反應產生電能的發電系統，所述烴類物質例如甲醇、乙醇或天然氣。

這樣的燃料電池是一種能替代化石燃料的清潔能源。它包括由單位電池組成的電池堆，并產生各種范圍的功率。由于它具有比小型鋰電池高四到十倍的能量密度，已重點用作小型便攜能源。

示例性的燃料電池包括聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)和直接氧化燃料電池(DOFC)。直接氧化燃料電池可以是以甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池。

聚合物電解質燃料電池雖然具有高能量密度的優點，但缺點在于需要由輔助設備生產揮發性的氫氣，輔助設備例如用于重整甲烷或甲醇，天然氣等的燃料重整處理器。

相反，直接氧化燃料電池的能量密度比聚合物電解質燃料電池低，但是它的優點是采用不需額外的燃料重整器生產具有較少揮發性的燃料，并且由于其較低的操作溫度因而可在室溫下操作。

在上述燃料電池系統中，發電的電池堆包括若干多層堆疊的單元電池。每個單元電池由膜電極組件(MEA)和隔板(也稱為雙極板)形成。膜電極組件具有陽極(也稱為“燃料電極”或“氧化電極”)和陰極(也稱為“空氣電極”或“還原電極”)，該陽極和陰極由位于二者間的電解質膜而相互連接。

燃料被提供到陽極并吸附在陽極催化劑上。該燃料在催化劑上被氧化以產生質子和電子。電子通過外部電路移動到陰極，質子則通過聚合物電解質膜移動到陰極。氧化劑被提供到陰極，然后氧化劑、質子和電子在陰極催化劑上反應產生電流和水。

發明內容

本發明的一個實施方式提供一種用于燃料電池的膜電極組件，該膜電極組件由于增加了聚合物電解質膜和催化劑層之間的反應表面積從而改進燃料電池的功率特性。

本發明的另一個實施方式提供一種生產用于燃料電池的膜電極組件的方法。

本發明的又一個實施方式提供一種包括用于燃料電池的膜電極組件的燃料電池系統。

根據本發明的另一個實施方式，用于燃料電池的膜電極組件包括：陽極；與陽極面對的陰極；和插入陽極和陰極之間的聚合物電解質膜。該聚合物電解質膜包括第一質子傳導聚合物基板和布置在所述基板的至少一側的涂層。該涂層包括第二質子傳導聚合物。該涂層可具有表面粗糙度。當用差示掃描量熱計測量時，該第一質子傳導聚合物具有的吸熱峰所在的溫度范圍比第二質子傳導聚合物高。

第一質子傳導聚合物在120到150℃的溫度范圍具有吸熱峰，而第二質子傳導聚合物在100到115℃的溫度范圍具有吸熱峰。

第一質子傳導聚合物的平均分子量比第二質子傳導聚合物高10到40％。

所述基板和涂層厚度的比例為260∶1到25∶1。

所述涂層的表面粗糙度從50nm到5μm。此外，它可被形成為具有預先確定的圖案，并且還可形成在所述基板的兩側。

根據本發明的另一個實施方式，提供一種制備用于燃料電池的膜電極組件的方法，該方法包括：制備第一質子傳導聚合物基板；在該第一質子傳導聚合物基板上形成包括第二質子傳導聚合物的涂層；通過將具有表面粗糙度的金屬薄膜與所述涂層裝配到一起，然后壓所述涂層和金屬薄膜，從而形成表面粗糙度；從基板上除去該金屬薄膜從而制備聚合物電解質膜；和將該聚合物電解質膜組裝到陽極和陰極之間。

該金屬薄膜可包括選自由Al、Ni、Cu、Fe及其組合所組成組中的金屬。

該金屬薄膜可具有通過選自如下的方法產生的表面粗糙度：采用酸溶液的蝕刻處理、陽極氧化、用具有預先確定的圖案的塑料底板進行壓制、等離子體處理、沙紙處理、噴沙處理及其組合。

蝕刻可采用0.01到1N濃度的酸溶液。

通過在涂層上以1000到3000kg/m²的壓強壓具有表面粗糙度的金屬薄膜來形成具有表面粗糙度的涂層。

該金屬薄膜可用選自由鹽酸、硫酸、硝酸、氟酸或氫氟酸及其混合物所組成組中的酸溶液處理而除去。

根據本發明的又一個實施方式，提供一個燃料電池系統，該燃料電池系統包括：發電元件，該發電元件包括上述膜電極組件和設置在所述膜電極組件每一側的隔板；向發電元件供給燃料的燃料供給裝置；和向發電元件供給氧化劑的氧化劑供給裝置。