[發(fā)明專利]多重導電的固體電解質(zhì)膜和燃料電池

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210527466.8
• 申請日: 2012-12-11
• 公開（公告）號: CN103872365A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發(fā)明（設計）人: 張宏偉
• 申請（專利權）人: 張宏偉
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M8/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及多重導電的固體電解質(zhì)膜，尤其適合用于固體電解質(zhì)膜的燃料電池，及其生產(chǎn)方法。

背景技術

燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒，直接以電化學反應方式將燃料和氧化劑中的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。固體電解質(zhì)膜燃料電池，尤其是使用聚合物電解質(zhì)膜的燃料電池具有常溫下快速起動、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、可靠性高等特點，因而作為有著廣闊應用前景的新能源技術而備受關注。

傳統(tǒng)的固體電解質(zhì)膜燃料電池中的固體電解質(zhì)膜僅通過傳導單一類型的離子進行導電，如質(zhì)子交換膜傳導質(zhì)子，堿性陰離子交換膜傳導氫氧根離子，這些膜的離子傳導能力對膜的含水量依賴度較高，在較高溫度(>80^oC)下面臨著因失水而導致的離子傳導率急劇下降的問題，因而使用這些膜的燃料電池必須額外配置水管理設備，增大了體積的同時，也增強了成本。此外，燃料電池使用的堿性陰離子交換膜的研究仍處在起始階段，沒有商品化的產(chǎn)品；質(zhì)子交換膜廣泛使用的是已經(jīng)商品化的Dupont生產(chǎn)的Nafion系列膜，但這種膜還存在著價格昂貴，甲醇滲透率高和不適宜高溫操作的缺點。?因而需要研究不使用水管理設備的固體電解質(zhì)膜燃料電池和開發(fā)相應的高性能低價格的聚合物電解質(zhì)膜。

針對上述問題，Unlu?M?(Journal?of?Physical?Chemistry?C,?2009,?113(26):?11416-11423)將堿性陰離子膜與質(zhì)子交換膜簡單層疊，制備了雜化膜燃料電池，獲得具有自潤濕特征的燃料電池，但由于兩種膜只是簡單的層疊，界面上容易出現(xiàn)分層，不利于長期使用。中國專利CN?101084364A報道的雙電解液無膜微通道燃料電池可以獲得1.93V的熱力學電勢，但所使用的為液體電解質(zhì)，需要額外的電解液供給和收集裝置，給操作帶來了極大不便。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明就是針對上述問題提出一個新的解決方案，即多重導電的固體電解質(zhì)膜燃料電池，這種燃料電池采用具有多重導能力的固體電解質(zhì)膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的只能傳導單一類型離子的膜，如使用可以同時傳導質(zhì)子和氫氧根離子的膜代替質(zhì)子交換膜。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(以優(yōu)化的使用傳導質(zhì)子和氫氧根離子的膜的燃料電池為例)：1)質(zhì)子與氫氧根離子在膜內(nèi)結(jié)合生產(chǎn)水，使膜具有自潤濕特性，可省卻水管理設備；2)在陰極可以使用非貴金屬催化劑，從而降低生產(chǎn)成本；3)新型碳氫材料的聚合物電解質(zhì)膜的開發(fā)，可替代昂貴的Nafion膜，進一步降低燃料電池的成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中采用兼具傳導質(zhì)子和氫氧根離子功能的膜的燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖。1可同時傳導質(zhì)子和氫氧根離子的固體電解質(zhì)膜，2負極（陽極，燃料側(cè)電極），3正極（陰極，氧化劑側(cè)電極），陽極和陰極都是含有酸性或堿性離子交換樹脂和催化劑的多孔層，4陽極導電擴散層，5陰極導電氣體擴散層，6兼有流場和集流功能的陽極末端擋板和兼有流場和7集流功能的陰極末端擋板。

具體實施方式

實施例1

通過將含有芳醚結(jié)構(gòu)單元的聚砜膜置于兩隔室擴散槽之間，兩隔室內(nèi)分別放入三甲基氯硅烷和三甲基氯磺酸硅，在40^oC反應4.5h，清洗完成后，再放入三甲胺溶液進行季銨化，最后再浸入1M的氫氧化鈉溶液堿化，獲得同時傳導質(zhì)子和氫氧根離子的固體電解質(zhì)膜。然后，將含有Nafion樹脂的炭載Pt陽極催化層置于與三甲基氯磺酸硅反應的膜一側(cè)，含有季銨化苯乙烯樹脂的炭載Pt陰極催化層置于與三甲基氯硅烷反應的膜一側(cè)，經(jīng)熱壓制成膜電極組件，最后組裝成燃料電池。未潤濕氫氣和空氣分別輸入燃料電池陽極側(cè)8和陰極側(cè)9，?80^oC下可以獲得的輸出功率峰值為421.3mW/cm²。