[發明專利]用于燃料電池的聚合物電解質膜和包括該聚合物電解質膜的膜電極組件和燃料電池

有效

• 申請號: 201080057729.2
• 申請日: 2010-12-17
• 公開（公告）號: CN102668207A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發明（設計）人: 金赫;崔盛晧;成京兒;李詳雨;魯臺根;金志洙
• 申請（專利權）人: LG化學株式會社
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/10;B82B3/00
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 黃麗娟;陳英俊

技術領域

本發明涉及一種用于燃料電池的聚合物電解質膜來改善電解質膜的機械性能。更具體而言，本發明涉及一種包含具有至少一種親水基團的纖維納米粒子的用于燃料電池的聚合物電解質膜，從而改善其機械性能，以及本發明涉及一種包括該聚合物電解質膜的膜電極組件和燃料電池。

背景技術

近來，對常規能源例如石油和煤炭的預計消耗已經引起了對替代能源的不斷關注。特別是，燃料電池作為能量儲存系統，其優點在于：燃料電池高效，不排放污染物例如NOx和SOx，以及所使用的燃料豐富，從而燃料電池吸引了大量的關注。

燃料電池是一種將燃料和氧化劑的化學反應的能量轉化成電能的發電系統。通常，氫氣、甲醇或烴(例如丁烷)用作燃料和氧氣用作氧化劑。

在燃料電池中用于發電的最基本單元是膜電極組件(MEA)，該膜電極組件由電解質膜和在該電解質膜的兩個表面上形成的陽極和陰極組成。參照圖1和說明燃料電池發電機理的反應式I?(在氫氣用作燃料的情況下燃料電池的反應式)，在陽極，發生氧化反應以產生氫離子和電子，且該氫離子通過電解質膜移向陰極。在陰極，氧氣(氧化劑)和通過電解質膜遷移的氫離子與電子反應而生成水。基于這些反應，在外電路中發生電子傳遞。

[反應式I]

在陽極上:H₂→2H⁺+2e^-

在陰極上:1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

總反應:H₂+1/2O₂→H₂O

在上述反應中，取決于溫度和水合作用，該聚合物電解質膜經歷15～30%的膜厚度變化和體積變化，特別是，經歷由3～50重量%的甲醇燃料引起的200%或大于200%的體積變化。因此，取決于燃料電池的工作條件電解質膜經受反復的溶脹和收縮，以及由于體積變化而引起在聚合物電解質膜中聚合物鏈解開纏結，機械強度降低并出現細孔或裂縫。

這些細孔或裂縫引起氫氣透過(crossover?of?hydrogen)或甲醇透過，從而導致燃料電池耐久性劣化。

由于上述原因，由全氟磺酸樹脂(商品名：Nafion)制成的全氟磺酸樹脂膜具有優異的導電性、機械性能和耐化學性，一般用作聚合物電解質膜。然而，全氟磺酸樹脂的缺點是昂貴，從而增加了燃料電池的制備成本。

因此，對比氟電解質膜(例如全氟磺酸樹脂)更便宜的碳氫化合物電解質膜(hydrocarbon?electrolyte?membrane)的關注日益增加。當與氟電解質膜相比時，碳氫化合物電解質膜由于低的氣體透過性而在燃料電池的實際運行中，由于氣體透過產生的副產物而導致的耐化學性劣化相對小。然而，一般的碳氫化合物電解質膜取決于加濕條件的變化而經歷很大的體積變化，并且非常易碎，從而不利的是，在燃料電池的實際運行中機械耐用性(mechanical?resistance)難以保證。例如，碳氫化合物膜在包括反復的加濕和除濕的循環試驗中非常脆弱，該循環試驗是一種用于評價電解質膜機械耐用性的代表性方法。

另外，通常試圖改善電解質膜樹脂或用電解質膜樹脂填充多孔材料，來提高用于燃料電池的聚合物電解質膜的耐久性。然而，在電解質膜的強度增大的情形中，離子交換性能通常劣化，而填充多孔材料的方法在耐用性方面顯示出非常大的改善，但是該方法存在與處理有關的非常大的困難和增加原材料成本的問題。特別是，碳氫化合物電解質膜樹脂取決于潮濕條件的變化經歷非常大的體積變化，從而盡管使用多孔材料，碳氫化合物電解質膜樹脂在耐用性方面也不能得到顯著的改善。作為另一種方法，存在通過使電解質膜樹脂與一種物質混合來改善耐用性的制備方法。這種方法不利地妨礙了混合過程，特別是，沒有表現出顯著的效果。

因此，在本領域中已經試圖解決上述問題，并在這些技術環境下本發明已被開發出。

發明內容

技術問題

因此，已作出本發明來解決上述問題和其它尚待解決的技術問題。

具體而言，本發明的一個目的是提供一種聚合物電解質膜，該聚合物電解質膜包含具有至少一種親水基團的纖維納米粒子，從而當與用于燃料電池的常規聚合物電解質膜相比，該聚合物電解質膜顯示出顯著改善的機械性能。

本發明的另一個目的是提供一種包括上述用于燃料電池的聚合物電解質膜的膜電極組件。

本發明的還一個目的是提供一種包括上述用于燃料電池的聚合物電解質膜的燃料電池。

技術方案