[發明專利]雙層復合質子交換膜及膜電極組

有效

• 申請號: 201210320104.1
• 申請日: 2012-08-31
• 公開（公告）號: CN103515630A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 蔡麗端;黃秋萍;黃立夫;陳仕文
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 梁揮;鮑俊萍

技術領域

本發明是有關于一種燃料電池的質子交換膜，且特別是有關于一種具多功能性的雙層復合質子交換膜及膜電極組(membrane?electrode?assembly，MEA)。

背景技術

使用高濃度甲醇（＞90%）蒸氣進料方式的微型燃料電池，其膜電極組目前面臨兩大考驗，第一是高濃度甲醇易滲透至陰極，造成陰極觸媒被毒化或電位降問題；第二是高濃度甲醇進料使陽極端缺乏關鍵反應物-水，因而膜電極組必須具有回水功能，質子交換膜厚度愈薄則愈有利陰極回水及質子的傳導，但是甲醇滲透問題易隨質子交換膜的厚度變薄而愈趨嚴重。

為了解決高濃度甲醇滲透與缺水兩大關鍵問題，質子交換膜必須兼具低甲醇燃料滲透率及保水的特質，進而才能解決使用高濃度甲醇蒸氣進料之微型燃料電池之關鍵問題。

以目前的質子交換膜來看，全氟磺酸樹脂(Nafion)容易形成離子簇(ion?cluster)的微結構，利于質子傳導，但也導致高溫失水之的現象及甲醇滲透問題，而無法操作在高甲醇濃度及高溫低加濕條件下。至于全氟磺酸離子交換樹脂(PFSA)系列的質子交換膜因濕度的關系，導致其導電率嚴重下滑，使MEA阻抗大幅上升，而導致MEA放電特性及耐久性不佳問題。

發明內容

本發明提供一種雙層復合質子交換膜，可以阻絕燃料穿越同時具有高保水能力。

本發明提供一種膜電極組，包含上述雙層復合質子交換膜，進而能提升微型燃料電池的放電功率。

本發明提出一種雙層復合質子交換膜，包括第一復合結構與第二復合結構。第一復合結構包括0.001wt%～10wt%具二維結構的石墨烯衍生物與99.999wt%～90wt%有機材料。第一復合結構中的有機材料包括具磺酸根或磷酸根之高分子材料。第二復合結構包括0.5wt%～30wt%無機材料與99.5wt%～70wt%有機材料。第二復合結構中的無機材料的表面積為50平方公尺/克(m²/g)～3000m²/g。第二復合結構中的有機材料包括具磺酸根或磷酸根之高分子材料。

在本發明的一實施例中，上述第一復合結構內的所述石墨烯衍生物是由氧化石墨烯、硫化石墨烯、氫氧化石墨烯、碳酸化石墨烯、氮化石墨烯與磺酸化石墨烯組成的族群中選擇的一種材料。

在本發明的一實施例中，上述第一復合結構中的具磺酸根或磷酸根的高分子材料包括磺酸化聚氟共聚高分子(PTFE-PFSA?copolymer)或磺酸化碳氫型高分子，其中所述磺酸化碳氫型高分子包括磺酸化聚醚醚酮(sulfonated?poly?(ether?ether?ketone)，s-PEEK)、磺酸化聚亞酰胺(sulfonated?polyimides，s-PI)、磺酸化聚氧化二甲苯(sulfonated?poly(phenylene?oxide)，s-PPO)、磺酸化聚芳醚砜(sulfonated?poly(arylene?ether?sulfone)，s-PES)、或磺酸化聚(4-苯氧基1,4苯基芐基酯)(sulfonated?poly(4-phenoxybenzoyl-,4-phenylene)，s-PPBP)。

在本發明的一實施例中，上述第一復合結構內的所述石墨烯衍生物是氧化石墨烯時，其添加量例如0.001wt%～5wt%。

在本發明的一實施例中，上述第一復合結構內的所述石墨烯衍生物是硫化石墨烯時，其添加量例如0.001wt%～5wt%。

在本發明的一實施例中，上述第二復合結構內的無機材料包括碳材，如活性碳、中孔洞碳材、碳納米殼層、碳納米角、碳納米片、無定型碳或結晶碳。

在本發明的一實施例中，上述第二復合結構內的有機材料包括Nafion、s-PEEK、s-PI、s-PPO、s-PES或s-PPBP。

在本發明的一實施例中，上述第二復合結構內的有機材料包括摻雜磷酸的聚苯咪唑高分子(phosphoric?acid?doped?polybenzimidazole，PBI)。

本發明另提出一種具有上述雙層復合質子交換膜的膜電極組，包括陽極、雙層復合質子交換膜以及陰極。所述雙層復合質子交換膜的第一復合結構接近陽極側，而第二復合結構與第一復合結構層合并接近陰極側。