專利名稱:聚合物電解質(zhì)膜及其制備方法和燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種聚合物電解質(zhì)膜和使用它的燃料電池,更具體涉及一種具有優(yōu)良的質(zhì)子電導(dǎo)率的聚合物電解質(zhì)膜和使用它的燃料電池。
背景技術(shù):
根據(jù)燃料電池內(nèi)所含有的電解質(zhì)類型,可將常規(guī)燃料電池分類為聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池等。燃料電池的工作溫度和其組成材料由在燃料電池中使用的電解質(zhì)的種類確定。
還可以將燃料電池分類為外部重整器型燃料電池,以及內(nèi)部重整器型燃料電池或直接燃料供給型燃料電池(direct fuel supply type fuel cell)。在外部重整器型燃料電池中,燃料在通過外部重整器轉(zhuǎn)化成富含氫氣的氣體之后,被供送至陽(yáng)極;在內(nèi)部重整器型燃料電池或直接燃料供給型燃料電池中,氣態(tài)或液態(tài)燃料被直接供送至陽(yáng)極。
直接液態(tài)燃料電池的一個(gè)代表性實(shí)例是直接甲醇燃料電池(DMFC)。在DMFC中,將甲醇水溶液用作燃料并且將具有質(zhì)子電導(dǎo)性的質(zhì)子交換聚合物膜用作電解質(zhì)。因此,DMFC是PEMFC的類型之一。
PEMFC小并且重量輕,但可以實(shí)現(xiàn)高的輸出密度。此外,采用PEMFC可以容易地形成發(fā)電系統(tǒng)(power generation system)。
PEMFC的基本結(jié)構(gòu)可包括陽(yáng)極(燃料電極)、陰極(氧化劑電極),和置于所述陽(yáng)極與陰極之間的聚合物電解質(zhì)膜。陽(yáng)極可以包括用于促進(jìn)燃料氧化的催化劑層。陰極可以包括用于促進(jìn)氧化劑還原的催化劑層。
在PEMFC中,聚合物電解質(zhì)膜起到了使質(zhì)子從陽(yáng)極遷移到陰極的離子導(dǎo)體的作用,并且還起到了防止陽(yáng)極與陰極之間接觸的隔板(separator)的作用。因此,聚合物電解質(zhì)膜需要充足的質(zhì)子電導(dǎo)性、電化學(xué)穩(wěn)定性、高機(jī)械強(qiáng)度和在其工作溫度下的熱穩(wěn)定性,并且應(yīng)該容易地形成聚合物電解質(zhì)膜的薄層。
然而,由于常規(guī)的聚合物電解質(zhì)膜不具有令人滿意的質(zhì)子電導(dǎo)性和甲醇穿越性(cross-over),因此需要改進(jìn)聚合物電解質(zhì)膜。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有優(yōu)良均勻性和質(zhì)子電導(dǎo)性的聚合物電解質(zhì)膜及其制備方法。
本發(fā)明還提供一種使用該聚合物電解質(zhì)膜以減少甲醇的穿越性而由此提高效率的燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面,提供了一種聚合物電解質(zhì)膜,其包含離子導(dǎo)電聚合物;和光酸產(chǎn)生劑(PAG)的光照產(chǎn)物(light-irradiated product)。
該離子導(dǎo)電聚合物可以包括至少一種選自以下物質(zhì)的材料聚酰亞胺、聚乙烯醇、氟化聚合物、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物,和聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚醚醚酮。
PAG可以包括至少一種具有選自锍鹽(sofonium salt)和磺?;墓倌軋F(tuán)的化合物。
PAG可以包括至少一種選自以下物質(zhì)的化合物式1的二苯基碘鎓-5-羥基萘-1-磺酸(DINS)鹽、式2的二甲基(4,7-二羥基萘)锍-對(duì)甲苯磺酸鹽(UR1115)、式3的二苯基碘鎓9,10-二甲氧基蒽-2-磺酸鹽(DIANs)、式4的對(duì)-硝基芐基9,10-二甲氧基蒽-2-磺酸鹽、式5-7的化合物、雙(環(huán)己基磺?;?重氮甲烷、三苯基锍-對(duì)甲苯磺酸鹽、三苯基锍環(huán)己烷氨基磺酸鹽和其混合物[式1] [式2]
[式3] [式4] [式5] [式6]
[式7] PAG的光照產(chǎn)物的量基于100重量份離子導(dǎo)電聚合物可以為0.5-90重量份。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面,提供了一種制備聚合物電解質(zhì)膜的方法,其包括將離子導(dǎo)電聚合物、光酸產(chǎn)生劑(PAG)和溶劑混合以形成用于形成電解質(zhì)的復(fù)合物;涂覆該用于形成電解質(zhì)的復(fù)合物;對(duì)涂覆的用于形成電解質(zhì)的復(fù)合物光照;和對(duì)光照產(chǎn)品進(jìn)行熱處理。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面,提供了一種燃料電池,其包括陰極;陽(yáng)極;和置于上述陰極與陽(yáng)極之間的聚合物電解質(zhì)膜。
該陰極可以包含碳負(fù)載的鉑(Pt/C)催化劑,該陽(yáng)極可以包含碳負(fù)載的鉑-釕(Pt-Ru/C)催化劑。
通過參照附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方案,本發(fā)明的以上和其他特征及優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯,其中圖1是說(shuō)明當(dāng)對(duì)被用作光酸產(chǎn)生劑的對(duì)-硝基芐基和9,10-二甲氧基蒽-2-磺酸鹽(NiDIANs)光照時(shí)發(fā)生的反應(yīng)的圖;
圖2是本發(fā)明實(shí)施方案的直接甲醇燃料電池(DMFC)的橫截面圖;圖3是說(shuō)明根據(jù)實(shí)施例1和比較例1獲得的聚合物電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率的圖;和圖4是說(shuō)明了對(duì)沉積于水中24小時(shí)之后處理的聚酰亞胺膜的阻抗試驗(yàn)的結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中,將更充分地描述本發(fā)明。
本發(fā)明實(shí)施方案的聚合物電解質(zhì)膜包含離子導(dǎo)電聚合物和光酸產(chǎn)生劑(PAG)的光照產(chǎn)物。PAG是響應(yīng)于光照而產(chǎn)生酸的材料。在本實(shí)施方案中,PAG是含有一個(gè)或多個(gè)選自锍鹽和磺?;墓倌軋F(tuán)并且響應(yīng)于光照產(chǎn)生磺酸鹽基團(tuán)的化合物。
本實(shí)施方案的PAG的光照產(chǎn)物是指質(zhì)子化產(chǎn)物,其中質(zhì)子連接至通過光照而獲得的生成物上。
PAG的光照產(chǎn)物的量基于100重量份離子導(dǎo)電聚合物可以為0.5-90重量份。當(dāng)PAG的光照產(chǎn)物的量低于該范圍時(shí),電導(dǎo)率幾乎沒有提高。當(dāng)PAG的光照產(chǎn)物的量超過該范圍時(shí),膜不均勻。
PAG的例子包括,但不限于以下化合物,例如式1中的二苯基碘鎓-5-羥基萘-1-磺酸鹽(DINS)、式2中的二甲基(4,7-二羥基萘)锍-對(duì)甲苯磺酸鹽(UR1115)、式3中的二苯基碘鎓9,10-二甲氧基蒽-2-磺酸鹽(DIANS)、式4中的對(duì)-硝基芐基9,10-二甲氧基蒽-2-磺酸鹽、式5-7中的化合物、雙(環(huán)己基磺?;?重氮甲烷、三苯基锍-對(duì)甲苯磺酸鹽、三苯基锍環(huán)己烷氨基磺酸鹽和其混合物[式1] [式3] [式4] [式5] [式6]
[式7] 用于本實(shí)施方案的離子導(dǎo)電聚合物的例子包括聚酰亞胺、聚乙烯醇、氟化聚合物、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏氟乙烯,和其混合物。
聚酰亞胺的例子包括,但不限于,由下式8表示的化合物。
其中m和n為摩爾分?jǐn)?shù),m可以為0.1-0.9,例如0.3-0.7,n可以為0.1-0.9,例如0.3-0.7。
聚酰亞胺的聚合度為5-1000。
在本實(shí)施方案的聚合物電解質(zhì)膜中,如果離子導(dǎo)電聚合物是憎水性或親水性的,則相應(yīng)地使用憎水性PAG或親水性PAG以獲得由于優(yōu)良的互溶性(mutual miscibility)而因此具有最佳離子電導(dǎo)率的均勻聚合物電解質(zhì)膜。
本實(shí)施方案的聚合物電解質(zhì)膜的厚度可以為5-150μm。當(dāng)厚度低于該范圍時(shí),聚合物電解質(zhì)膜可能由于脆弱而被撕裂。當(dāng)厚度超過該范圍時(shí),膜中可能出現(xiàn)裂紋。
現(xiàn)在將描述制備聚合物電解質(zhì)膜的方法。
將離子導(dǎo)電聚合物、PAG和溶劑混合,得到用于形成聚合物電解質(zhì)膜的復(fù)合物。
PAG的光照產(chǎn)物的量基于100重量份離子導(dǎo)電聚合物可以為0.5-90重量份。當(dāng)PAG的光照產(chǎn)物的量低于該范圍時(shí),電導(dǎo)率幾乎沒有提高。當(dāng)PAG的光照產(chǎn)物的量超過該范圍時(shí),膜不均勻。
溶劑的例子包括N-甲基吡咯烷酮、N,N’-二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺和二甲基亞砜,并且溶劑的量基于100重量份離子導(dǎo)電聚合物為30-95重量份。當(dāng)溶劑的量低于該范圍時(shí),所得溶液不均勻。當(dāng)溶劑的量超過該范圍時(shí),用于形成聚合物電解質(zhì)膜的復(fù)合物中的固含量太低。
將該用于形成聚合物電解質(zhì)膜的復(fù)合物涂覆在基材上。涂覆的方法包括旋涂和棒涂。然后,將光照射在涂覆的復(fù)合物上并且進(jìn)行熱處理。
在光照過程中,光的波長(zhǎng)可以為350-450nm,并且光照強(qiáng)度可以為200-50,000mJ/cm2。當(dāng)光照強(qiáng)度低于該范圍時(shí),PAG的光照產(chǎn)物的量低。當(dāng)光照強(qiáng)度超過該范圍時(shí),所得的聚合物電解質(zhì)膜的機(jī)械強(qiáng)度低。光照過程的持續(xù)時(shí)間為10-990秒。
熱處理是在120-200℃下進(jìn)行的硬烘焙處理(hard baking process)。當(dāng)溫度低于該范圍時(shí),聚合物膜可能難以硬化。當(dāng)溫度超過該范圍時(shí),含在PAG光照產(chǎn)物和聚合物電解質(zhì)膜中的磺酸鹽基團(tuán)被分解,由此使得PAG的作用微不足道。該熱處理的長(zhǎng)度可以根據(jù)溫度而改變,并且可以為0.5-24小時(shí)。
在本實(shí)施方案中,可以在上述光照之前進(jìn)一步進(jìn)行預(yù)熱處理。該預(yù)熱處理是在60-110℃下進(jìn)行的將溶劑從涂覆的用于形成聚合物電解質(zhì)膜的復(fù)合物中除去的軟烘焙處理(soft-baking process)。當(dāng)溫度低于該范圍時(shí),溶劑的除去費(fèi)時(shí)。當(dāng)溫度超過該范圍時(shí),溶劑被迅速除去,由此形成不均勻的聚合物電解質(zhì)膜。
該熱處理時(shí)間的長(zhǎng)度可以根據(jù)溫度而改變,并且可以為0.5-24小時(shí)。
圖1中示出了當(dāng)在上述過程中光照時(shí)出現(xiàn)的PAG變化。圖1說(shuō)明了當(dāng)將對(duì)-硝基芐基和9,10-二甲氧基蒽-2-磺酸鹽(NiDIANs)用作PAG時(shí)的情況。參照?qǐng)D1,如果將光照射在NiDIANs上,則形成了含有SO3-的化合物(A)和化合物(B)。由于空氣中的相對(duì)濕度(RH),因此化合物(A)反應(yīng)而得到最終產(chǎn)物(C),在最終產(chǎn)物(C)中質(zhì)子與PAG光照的反應(yīng)物結(jié)合。根據(jù)對(duì)熱處理的最終產(chǎn)品的熱處理?xiàng)l件,可以將剩余產(chǎn)品-化合物(D)-留下或者除去。
根據(jù)上述方法得到的聚合物電解質(zhì)膜用作燃料電池的電解質(zhì)膜。
本發(fā)明實(shí)施方案的燃料電池包括陰極、陽(yáng)極,和置于陰極與陽(yáng)極之間的本發(fā)明實(shí)施方案的聚合物電解質(zhì)膜。
該陰極和陽(yáng)極各自包括氣體擴(kuò)散層和催化劑層。催化劑層包含金屬催化劑以促進(jìn)所需的反應(yīng)(氫氣的氧化和氧氣的還原)。催化劑層可以包含至少一種選自以下物質(zhì)的催化劑Pt、Ru、Os、Pt-Os合金、Pt-Pd合金和Pt-M合金(M包括至少一種選自Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn的過渡金屬)。優(yōu)選地,催化劑層包含至少一種選自以下物質(zhì)的催化劑Pt、Ru、Os、Pt-Ru合金、Pt-Os合金、Pt-Pd合金、Pt-Co合金和Pt-Ni合金。
可以將金屬催化劑擱置在載體上。載體可以是碳(例如乙炔黑或石墨),或者無(wú)機(jī)顆粒(例如氧化鋁或二氧化硅)??梢允褂幂d體上的貴金屬催化劑,其是可商購(gòu)獲得的或者可以通過將貴金屬浸漬在載體中而制備的。
氣體擴(kuò)散層可以由碳紙(carbon paper)或者碳布制成,但并不限于此。氣體擴(kuò)散層支承陽(yáng)極或陰極并且將反應(yīng)氣體擴(kuò)散到催化劑層中。由于防水性可以防止氣體擴(kuò)散效率被水降低(這可能在燃料電池工作時(shí)發(fā)生),因此可以由使用氟基樹脂(例如聚四氟乙烯)防水處理過的碳紙或碳布制成氣體擴(kuò)散層。
為了進(jìn)一步增強(qiáng)氣體擴(kuò)散作用,電極可以進(jìn)一步在氣體擴(kuò)散層與催化劑層之間包含微孔層。該微孔層通過將包含導(dǎo)電材料(例如碳粉、炭黑、活性炭或乙炔黑),粘合劑(例如聚四氟乙烯)以及如果必要?jiǎng)t還有離聚物的組合物涂覆在氣體擴(kuò)散層或催化劑層上而形成。
本發(fā)明實(shí)施方案的燃料電池可以是磷酸燃料電池(PAFC)、聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)、堿性燃料電池,或者優(yōu)選是直接甲醇燃料電池(DMFC)。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D2來(lái)描述本發(fā)明實(shí)施方案的包含聚合物電解質(zhì)膜的DMFC。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的DMFC具有圖2中所示的結(jié)構(gòu)。
參照?qǐng)D2,DMFC包括對(duì)其提供燃料的陽(yáng)極32、對(duì)其提供氧化劑的陰極30,和置于陽(yáng)極32與陽(yáng)極30之間的電解質(zhì)膜40。陽(yáng)極32可以由陽(yáng)極擴(kuò)散層22和陽(yáng)極催化劑層33組成,陰極30可以由陰極擴(kuò)散層34和陰極催化劑層31組成。
經(jīng)過陽(yáng)極擴(kuò)散層22傳輸?shù)疥?yáng)極催化劑層33上的甲醇水溶液被分解成電子、質(zhì)子、二氧化碳等。質(zhì)子經(jīng)過聚合物電解質(zhì)膜41被傳輸?shù)疥帢O催化劑層31上,電子被傳輸?shù)酵獠侩娐罚⑶覍⒍趸寂诺酵饷?。在陰極催化劑層31中,經(jīng)過聚合物電解質(zhì)膜41傳輸?shù)馁|(zhì)子、由外部電路提供的電子和空氣中經(jīng)過陰極擴(kuò)散層34傳輸?shù)难鯕夥磻?yīng),生成水。
現(xiàn)在將參照以下實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明。以下實(shí)施例僅僅是用于說(shuō)明的目的,并不意在限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1將23.1重量份聚酰亞胺、4.6重量份DINS和72.3重量份作為溶劑的N-甲基吡咯烷酮混合,制備用于形成聚合物電解質(zhì)膜的復(fù)合物。
將該用于形成聚合物電解質(zhì)膜的復(fù)合物旋涂并且在80℃下對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱處理10分鐘。
然后將波長(zhǎng)為365nm的光照射在所得的結(jié)構(gòu)體上900秒,并且然后在200℃下進(jìn)行熱處理1.5小時(shí)以制得聚合物電解質(zhì)膜(厚度20μm)。
實(shí)施例2以如實(shí)施例1中的相同方式制備聚合物電解質(zhì)膜(厚度53μm),不同之處在于聚酰亞胺與DINS的重量比為28.3∶8.3。
實(shí)施例3以如實(shí)施例1中的相同方式制備聚合物電解質(zhì)膜(厚度25μm),不同之處在于使用偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物[P(VdF-HFP)]代替聚酰亞胺并且P(VdF-HFP)與DINS的重量比為15.4∶4.6。
實(shí)施例4以如實(shí)施例3中的相同方式制備聚合物電解質(zhì)膜(厚度168μm),不同之處在于P(VdF-HFP)與DINS的重量比為22.9∶7.1。
實(shí)施例5以如實(shí)施例1中的相同方式制備聚合物電解質(zhì)膜(厚度24μm),不同之處在于使用Nafion代替聚酰亞胺、Nafion與DINS的重量比為15∶5,且在預(yù)熱處理之后于100℃進(jìn)行熱處理1.5小時(shí)。然后,另外在80℃下將聚合物電解質(zhì)膜浸入1M鹽酸水溶液中以進(jìn)行質(zhì)子化,并且用蒸餾水清洗幾次。
實(shí)施例6以如實(shí)施例5中的相同方式制備聚合物電解質(zhì)膜(厚度21μm),不同之處在于Nafion與DINS的重量比為15∶12.5。
實(shí)施例7以如實(shí)施例1中的相同方式制備聚合物電解質(zhì)膜(厚度46μm),不同之處在于使用UR1115代替DINS,并且聚酰亞胺與UR1115的重量比為23.1∶4.6。
實(shí)施例8以如實(shí)施例7中的相同方式制備聚合物電解質(zhì)膜(厚度28μm),不同之處在于聚酰亞胺與UR1115的重量比為25∶5。
實(shí)施例9以如實(shí)施例1中的相同方式制備聚合物電解質(zhì)膜(厚度28μm),不同之處在于使用DIANs代替DINS,并且聚酰亞胺與DIANs的重量比為25∶5。
實(shí)施例10以如實(shí)施例9中的相同方式制備聚合物電解質(zhì)膜(厚度55μm),不同之處在于聚酰亞胺與DIANs的重量比為28.3∶8.3。
實(shí)施例11以如實(shí)施例1中的相同方式制備聚合物電解質(zhì)膜(厚度48μm),不同之處在于使用NiDIANs代替DINS并且聚酰亞胺與NiDIANs的重量比為23.1∶4.6。
實(shí)施例12以如實(shí)施例11中的相同方式制備聚合物電解質(zhì)膜(厚度30μm),不同之處在于聚酰亞胺與NiDIANs的重量比為25∶5。
比較例1將30重量份聚酰亞胺和70重量份作為溶劑的N-甲基吡咯烷酮混合,制備用于形成聚合物電解質(zhì)膜的復(fù)合物。
涂覆該用于形成聚合物電解質(zhì)膜的復(fù)合物并且在80℃下對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱處理10分鐘。然后,在氮?dú)夥障掠?00℃進(jìn)行硬烘焙處理1.5小時(shí)以制得聚合物電解質(zhì)膜(厚度23μm)。
比較例2以如比較例1中的相同方式制備聚合物電解質(zhì)膜(厚度17μm),不同之處在于使用10重量份偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物代替30重量份聚酰亞胺。
比較例3以如比較例1中的相同方式制備聚合物電解質(zhì)膜(厚度92μm),不同之處在于使用20重量份Nafion溶液(Dupont)代替30重量份聚酰亞胺,并且在預(yù)熱處理之后于100℃進(jìn)行熱處理1.5小時(shí)。然后,以如實(shí)施例5中的相同方式對(duì)聚合物電解質(zhì)膜電離。
實(shí)施例13制備燃料電池如下制備包含實(shí)施例1得到的聚合物電解質(zhì)膜的燃料電池。
將碳負(fù)載的鉑(Pt/C)催化劑用作陰極,將碳負(fù)載的鉑-釕(Pt-Ru/C)催化劑用作陽(yáng)極。
將實(shí)施例1的聚合物電解質(zhì)膜插入陰極與陽(yáng)極之間,并且在120℃于5MPa的壓力將生成物熱壓以制得燃料電池的膜和電極組件(MEA)。
分別將用于提供燃料的雙極板和用于提供氧化劑的雙極板連接至燃料電池的陽(yáng)極和陰極,然后測(cè)量燃料電池的性能。操作條件如下3mL/min的1M甲醇水溶液作為燃料,50ml/min的空氣作為氧化劑,并且操作溫度為50℃。
比較例4以如實(shí)施例13中的相同方式制備燃料電池,不同之處在于使用比較例1的聚合物電解質(zhì)膜代替實(shí)施例1的聚合物電解質(zhì)膜。
測(cè)量實(shí)施例1和比較例1獲得的聚合物電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率,結(jié)果示于圖3中。
通過以下方式測(cè)量離子電導(dǎo)率將膜浸入蒸餾水中足夠的時(shí)間,將膜插入兩個(gè)電極之間,采用2點(diǎn)探測(cè)法在1Hz-4MHz范圍內(nèi)的不同頻率下將交流電(10mV振幅)施加在膜上,并且在每一頻率下使用阻抗分析儀測(cè)量復(fù)數(shù)阻抗。使用測(cè)量的膜電阻,采用下式1計(jì)算離子電導(dǎo)率。該過程在其中濕度保持90%的腔室內(nèi)進(jìn)行。
σ=l/(R×S)其中σ是離子電導(dǎo)率,l是膜的厚度,R是膜的電阻,S是膜的橫截面積。
參照?qǐng)D3,實(shí)施例1的聚合物電解質(zhì)膜中的離子電導(dǎo)率與比較例1的聚合物電解質(zhì)膜中的離子電導(dǎo)率相比高得多。
圖4說(shuō)明了對(duì)沉積于水中24小時(shí)之后的聚酰亞胺膜的阻抗試驗(yàn)的結(jié)果。
參照?qǐng)D4,測(cè)量的阻抗Z由Z=Re(Z)+ilm(Z)表示。
測(cè)量實(shí)施例1-9和比較例1-3制備的聚合物電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率,結(jié)果示于下表1中。
還測(cè)量實(shí)施例1和比較例4的燃料電池中的甲醇滲透率,結(jié)果示于下表1中。這里,在環(huán)境溫度下采用擴(kuò)散池測(cè)量膜的甲醇滲透率。為了測(cè)量甲醇滲透率,將該膜插入兩個(gè)池之間并且通過氣相色譜分析以恒定的時(shí)間間隔測(cè)量透過膜的甲醇的濃度。由測(cè)量結(jié)果計(jì)算甲醇滲透率。
如表1中所示,當(dāng)通過將PAG和聚合物電解質(zhì)膜共混而制備膜時(shí),質(zhì)子電導(dǎo)率由于酸自由基的產(chǎn)生而高。而且,通過加入PAG,甲醇滲透率的抑制量與現(xiàn)有技術(shù)相等或者更高。
通過將光例如UV光照射在PAG上而由此產(chǎn)生生成酸的酸自由基,本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)膜具有優(yōu)良的質(zhì)子電導(dǎo)率和均勻性。這類聚合物電解質(zhì)膜還良好地抑制了甲醇的穿越性。
該聚合物電解質(zhì)膜可被用作燃料電池例如DMFC的電解質(zhì)膜。
盡管已經(jīng)特別地參照本發(fā)明示例性的實(shí)施方案具體顯示和描述了本發(fā)明,但本領(lǐng)域那些普通技術(shù)人員將理解的是,在不偏離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明精神和范圍的情況下,可對(duì)本發(fā)明作出形式和細(xì)節(jié)上各種變化。
權(quán)利要求
1.一種聚合物電解質(zhì)膜,其包含離子導(dǎo)電聚合物;和光酸產(chǎn)生劑(PAG)的光照產(chǎn)物。
2.權(quán)利要求1的聚合物電解質(zhì)膜,其中離子導(dǎo)電聚合物包括選自聚酰亞胺、聚乙烯醇、氟化聚合物、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物,和聚偏氟乙烯、聚醚砜和聚醚醚酮中的至少一種材料。
3.權(quán)利要求1的聚合物電解質(zhì)膜,其中光酸產(chǎn)生劑包括至少一種具有選自锍鹽和磺酰基的官能團(tuán)的化合物。
4.權(quán)利要求1的聚合物電解質(zhì)膜,其中光酸產(chǎn)生劑包括至少一種選自以下物質(zhì)的化合物式1的二苯基碘鎓-5-羥基萘-1-磺酸鹽(DINS)、式2的二甲基(4,7-二羥基萘)锍-對(duì)甲苯磺酸鹽(UR1115)、式3的二苯基碘鎓9,10-二甲氧基蒽-2-磺酸鹽(DIANs)、式4的對(duì)-硝基芐基9,10-二甲氧基蒽-2-磺酸鹽、式5-7的化合物、雙(環(huán)己基磺?;?重氮甲烷、三苯基锍-對(duì)甲苯磺酸鹽、三苯基锍環(huán)己烷氨基磺酸鹽和其混合物[式1] [式2] [式3] [式4] [式5] [式6] [式7]
5.權(quán)利要求1的聚合物電解質(zhì)膜,其中PAG的光照產(chǎn)物的量基于100重量份離子導(dǎo)電聚合物為0.5-90重量份。
6.一種制備聚合物電解質(zhì)膜的方法,其包括將離子導(dǎo)電聚合物、光酸產(chǎn)生劑(PAG)和溶劑混合以形成用于形成電解質(zhì)的復(fù)合物;涂覆該用于形成電解質(zhì)的復(fù)合物;對(duì)涂覆的用于形成電解質(zhì)的復(fù)合物光照;和對(duì)光照產(chǎn)品進(jìn)行熱處理。
7.權(quán)利要求6的方法,其進(jìn)一步包括在光照操作之前在60-110℃下進(jìn)行預(yù)熱處理。
8.權(quán)利要求6的方法,其中光照中使用的光的波長(zhǎng)為350-450nm,強(qiáng)度為200-50,000mJ/cm2。
9.權(quán)利要求6的方法,其中PAG的量基于100重量份離子導(dǎo)電聚合物為0.5-90重量份。
10.權(quán)利要求6的方法,其中溶劑包括選自N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、N,N’-二甲基乙酰胺中的至少一種化合物,并且溶劑的量基于100重量份離子導(dǎo)電聚合物為30-95重量份。
11.權(quán)利要求6的方法,其中熱處理的溫度為120-200℃。
12.一種燃料電池,其包括陰極;陽(yáng)極;和置于陰極與陽(yáng)極之間的權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的聚合物電解質(zhì)膜。
13.權(quán)利要求12的燃料電池,其中陰極包含碳負(fù)載的鉑(Pt/C)催化劑,陽(yáng)極包含碳負(fù)載的鉑-釕(Pt-Ru/C)催化劑。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種包含離子導(dǎo)電聚合物和光酸產(chǎn)生劑(PAG)的光照產(chǎn)物的聚合物電解質(zhì)膜,及其制備方法,和使用其的燃料電池。通過將光例如UV光照射在PAG上而由此產(chǎn)生生成酸的酸自由基,該聚合物電解質(zhì)膜具有優(yōu)良的質(zhì)子電導(dǎo)率和均勻性。這類聚合物電解質(zhì)膜還良好地抑制了甲醇的穿越性。該聚合物電解質(zhì)膜可被用作燃料電池例如直接甲醇燃料電池的電解質(zhì)膜。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1944536SQ20061013999
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月7日
發(fā)明者李珍珪, 鄭明燮, 金度鈗, 柳永均, 李在俊 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社