[發(fā)明專利]用于燃料電池的烴復(fù)合電解質(zhì)膜

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110438921.2
• 申請(qǐng)日: 2011-12-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103000917A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李勛熙
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 現(xiàn)代自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社;起亞自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社
• 主分類號(hào): H01M8/02
• 分類號(hào): H01M8/02;H01M4/86;H01M8/24
• 代理公司: 北京尚誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11322
• 代理人: 龍淳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于燃料電池的電解質(zhì)膜。更具體地，本發(fā)明涉及用于燃料電池的烴復(fù)合電解質(zhì)膜，其由價(jià)廉的烴電解質(zhì)膜形成以確保機(jī)械和熱化學(xué)穩(wěn)定性。

背景技術(shù)

燃料電池是電發(fā)生系統(tǒng)，其在燃料電池組中直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。燃料電池可用作小型電氣和電子設(shè)備的電源。例如，燃料電池可用于便攜式設(shè)備、工業(yè)和家用電器、和汽車(chē)。

最有吸引力的用于車(chē)輛的燃料電池之一是質(zhì)子交換膜燃料電池或聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)，其在各種類型的燃料電池中具有最高的功率密度。PEMFC因其低運(yùn)行溫度具有快的啟動(dòng)時(shí)間和快的用于功率轉(zhuǎn)換的反應(yīng)時(shí)間。

PEMFC包括燃料電池組，其包括膜電極組件(MEA)、氣體擴(kuò)散層(GDL)、墊片(gasket)和密封部件、以及雙極板。MEA中，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的電解質(zhì)/催化劑層布置在聚合物電解質(zhì)膜的每側(cè)，通過(guò)所述聚合物電解質(zhì)膜輸運(yùn)氫離子。GDL起到均勻擴(kuò)散反應(yīng)氣體并傳輸產(chǎn)生的電的作用。墊片和密封部件起到為反應(yīng)氣體和冷卻劑提供適當(dāng)?shù)臍饷苄裕⑻峁┻m當(dāng)?shù)慕Y(jié)合壓力的作用。雙極板起到輸送反應(yīng)氣體和冷卻劑的作用。

當(dāng)使用多個(gè)單元電池組裝燃料電池組時(shí)，將MEA和GDL的組合設(shè)置在燃料電池組的各個(gè)單元電池的中心。MEA包括作為電極/催化劑層的陰極和陽(yáng)極，這里在氫與氧之間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，且所述電極/催化劑層布置在聚合物電解質(zhì)膜的兩側(cè)。而且，GDL和墊片依次堆疊在設(shè)置有陰極和陽(yáng)極的MEA的兩側(cè)。

雙極板包括流場(chǎng)，并將其布置在GDL的外側(cè)，其中反應(yīng)氣體(例如作為燃料的氫和作為氧化劑的氧或空氣)和冷卻劑通過(guò)所述流場(chǎng)。

在將該多個(gè)單元電池堆疊在一起后，將用于支撐集電器的端板、絕緣板、和堆疊的電池與最外端連接，且將單元電池重復(fù)堆疊在端板之間，由此形成燃料電池組。

裝配有燃料電池組的燃料電池車(chē)輛的優(yōu)勢(shì)在于，其是不排放廢氣的環(huán)境友好的車(chē)輛；然而，其缺點(diǎn)在于，因高制造成本而難以商業(yè)化。

如上所述，MEA是燃料電池的關(guān)鍵構(gòu)件且通常包括電極(例如陰極和陽(yáng)極)和電解質(zhì)。在常規(guī)技術(shù)中，使用氟電解質(zhì)膜(例如全氟磺酸)，然而這樣的膜的缺點(diǎn)在于其非常昂貴。

因此，為了開(kāi)發(fā)價(jià)廉的電解質(zhì)膜，已廣泛研究烴電解質(zhì)膜(例如磺化聚(亞苯基)、聚(醚醚酮)、等)。

如圖1A所示，分別由于水的丟失和水的得到，常規(guī)技術(shù)的烴電解質(zhì)膜在燃料電池運(yùn)行過(guò)程中重復(fù)地收縮和膨脹。不利地是，這些重復(fù)的收縮和膨脹循環(huán)可能導(dǎo)致烴電解質(zhì)膜因水的得到和丟失引起的顯著的尺寸變化而被機(jī)械損壞。

而且，如圖1B所示，當(dāng)通過(guò)轉(zhuǎn)印法(decal?method)制作MEA時(shí)，電極和電解質(zhì)膜在熱壓過(guò)程中被加熱，結(jié)果電解質(zhì)收縮。由于膜可能因低耐熱性而被機(jī)械損壞，這是常規(guī)技術(shù)的烴電解質(zhì)膜缺點(diǎn)的另一個(gè)例子。

鑒于前述，顯然常規(guī)技術(shù)的烴電解質(zhì)膜因低機(jī)械穩(wěn)定性和低熱化學(xué)耐久性并不很適于用作燃料電池的MEA。

上述在該背景技術(shù)部分公開(kāi)的信息僅用于增強(qiáng)對(duì)本發(fā)明背景的理解。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供用于燃料電池的烴復(fù)合電解質(zhì)膜，其是通過(guò)將石墨烯納米結(jié)構(gòu)與烴電解質(zhì)膜混合并分散而形成，以確保機(jī)械和熱化學(xué)穩(wěn)定性。

一方面，本發(fā)明提供用于燃料電池的烴復(fù)合電解質(zhì)膜，且烴復(fù)合電解質(zhì)膜包括至少一個(gè)復(fù)合電解質(zhì)膜層，其具有如下結(jié)構(gòu)：其中石墨烯納米結(jié)構(gòu)嵌入到烴電解質(zhì)膜中。

在示例性實(shí)施方式中，復(fù)合電解質(zhì)膜層可由如下組合物形成：所述組合物通過(guò)混合90～99.9wt％的烴聚合物溶液和0.1～10wt％的石墨烯納米結(jié)構(gòu)而制備。

在另一個(gè)示例性實(shí)施方式中，復(fù)合電解質(zhì)膜層可包括布置在復(fù)合電解質(zhì)膜層兩側(cè)的烴電解質(zhì)膜層。

另一方面，本發(fā)明提供包括烴組合物電解質(zhì)膜的膜電極組件。

又一方面，本發(fā)明提供包括膜電極組件的燃料電池組。

下面討論本發(fā)明的其它方面和示例性實(shí)施方式。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)在將參考本發(fā)明的某些示例性實(shí)施方式來(lái)詳細(xì)地描述本發(fā)明的上述和其它特征，其在所附附圖中說(shuō)明，下文給出的這些實(shí)施方式僅僅用于舉例說(shuō)明，因此不是對(duì)本發(fā)明的限制，其中：

圖1A和1B是示出常規(guī)技術(shù)的烴電解質(zhì)膜的問(wèn)題的圖；

圖2A和2B是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的用于燃料電池的烴復(fù)合電解質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)的示意圖，其中圖2A示出插入結(jié)構(gòu)，并且圖2B示出剝脫結(jié)構(gòu)；

圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的用于燃料電池的烴復(fù)合電解質(zhì)膜的構(gòu)造的橫截面視圖；