專利名稱：燃料電池電解質(zhì)膜及制造方法、膜電極組合件和燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及燃料電池電解質(zhì)膜、膜電極組合件、燃料電池，以及用于制造所述燃料電池電解質(zhì)膜的方法
背景技術(shù)：
燃料電池作為下一代清潔能源已經(jīng)引起了人們的注意。例如，聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)包括膜電極組合件(MEA)作為基礎(chǔ)部件。膜電極組合件通過(guò)結(jié)合并一體成型陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極、具有離子電導(dǎo)性的聚合物膜(即，電解質(zhì)膜)以及陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極來(lái)獲得。作為燃料電池電解質(zhì)膜，包括堿性聚合物和強(qiáng)酸的復(fù)合物的膜，例如摻雜磷酸的聚苯并咪唑的聚合物膜，已經(jīng)引起了關(guān)注。JP2008-507082A(后文稱作參考文件1)公開(kāi)了使用摻雜磷酸的膜的燃料電池可以在高于100°C溫度下操作，而不使燃料濕潤(rùn)。此外，已知聚苯并咪唑是適合用于電解質(zhì)膜中的聚合物。然而，摻雜磷酸的電解質(zhì)膜一般為溶膠凝膠態(tài)，其可能導(dǎo)致在例如受壓時(shí)損壞。因此，為了減小受壓時(shí)對(duì)壓力板、膜電極組合件，以及聚合物膜的損傷，參考文件1公開(kāi)了使用不可壓縮保護(hù)層和墊片制造膜電極組合件的方法。如參考文件1中所述，受壓時(shí)，在使用不可壓縮保護(hù)層和墊片的情況中，聚合物膜的損傷可以減小到一定程度。然而，由于構(gòu)成電極的氣體擴(kuò)散層(GDL)的尺寸精確度有很大差異，可能難以減小由氣體擴(kuò)散電極相對(duì)于聚合物膜的伸出而造成的聚合物膜的損傷。 因此，產(chǎn)生了交叉泄露(即，漏電流)，從而降低了耐久性。由此存在對(duì)于減小交叉泄露的燃料電池電解質(zhì)膜、膜電極組合件、燃料電池，以及用于制造燃料電池電解質(zhì)膜的方法的需要。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本公開(kāi)的一方面，燃料電池電解質(zhì)膜包括由包含磷酸的堿性聚合物形成的第一電解質(zhì)膜，以及由包含磷酸的堿性聚合物分別形成的第二和第三電解質(zhì)膜，在所述第二和第三電解質(zhì)膜之間夾持所述第一電解質(zhì)膜。所述第一電解質(zhì)膜包含的磷酸濃度大于所述第二和第三電解質(zhì)膜的每一個(gè)中含有的磷酸濃度。燃料電池電解質(zhì)膜以如下方式構(gòu)造均具有相對(duì)較低濃度磷酸的第二和第三電解質(zhì)膜將具有相對(duì)較高濃度磷酸的第一電解質(zhì)膜夾在中間并對(duì)其支撐。亦即，比第一電解質(zhì)膜更堅(jiān)固的第二和第三電解質(zhì)膜的表面分別與陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極和陰極氣體擴(kuò)散電極相接觸。由此，減小了在燃料電池電解質(zhì)膜被施壓時(shí)，燃料電池電解質(zhì)膜作為整體的損傷，這導(dǎo)致交叉泄露(即漏電流)的減少，亦即在保證電導(dǎo)率的狀態(tài)下耐久性的增加。第一電解質(zhì)膜是溶膠凝膠膜，并且第二和第三電解質(zhì)膜是磷酸浸漬的澆注膜。相應(yīng)地，布置為分別與陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極和陰極氣體擴(kuò)散電極相接觸的第二和第三電解質(zhì)膜(磷酸浸漬的澆注膜)具有較低的磷酸濃度，并且由此比第一電解質(zhì)膜(溶膠凝膠膜)具有更大的剛度。由此，減小了在燃料電池電解質(zhì)膜被施壓時(shí)燃料電池電解質(zhì)膜作為整體的損傷，這導(dǎo)致交叉泄露(即漏電流)的減少，亦即在保證電導(dǎo)率的狀態(tài)下耐久性的增加。堿性聚合物是聚苯并咪唑。第二和第三電解質(zhì)膜在第一到第三電解質(zhì)膜的平面方向相對(duì)于所述第一電解質(zhì)膜的端部向外延伸，所述第一電解質(zhì)膜由所述第二和第三電解質(zhì)膜的端部密封。因此，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)密封第一電解質(zhì)膜預(yù)防磷酸的泄露，即有效減小了交叉泄露。膜電極組合件包括燃料電池電解質(zhì)膜、層疊在燃料電池電解質(zhì)膜第一側(cè)表面上的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極，以及層疊在燃料電池電解質(zhì)膜的第二側(cè)表面上的陰極氣體擴(kuò)散電極。膜電極組合件包括燃料電池電解質(zhì)膜，該燃料電池電解質(zhì)膜在受壓時(shí)的損傷被減小。因此，減小了膜電極組合件作為整體的交叉泄露，由此在確保電導(dǎo)率的同時(shí)增強(qiáng)耐久性。
燃料電池包括膜電極組合件、與所述膜電極組合件的所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極相接觸并且由燃料氣體通道形成的陽(yáng)極隔離器，以及與所述膜電極組合件的所述陰極氣體擴(kuò)散電極相接觸并且由氧化劑氣體通道形成的陰極隔離器。燃料電池包括燃料電池電解質(zhì)膜，該燃料電池電解質(zhì)膜在受壓時(shí)其損傷減小。因此，減小了膜電極組合件作為整體的交叉泄露，由此在確保電導(dǎo)率的同時(shí)增強(qiáng)耐久性。一種用于制造燃料電池電解質(zhì)膜的方法包括通過(guò)沉積包含磷酸的堿性聚合物而制造第一電解質(zhì)膜的第一電解質(zhì)膜制造過(guò)程；通過(guò)沉積包含磷酸(所述磷酸的濃度低于第一電解質(zhì)膜中含有的磷酸的濃度)的堿性聚合物而制造第二電解質(zhì)膜的第二電解質(zhì)膜制造過(guò)程；通過(guò)沉積包含磷酸(所述磷酸的濃度低于第一電解質(zhì)膜中含有的磷酸的濃度)的堿性聚合物而制作第三電解質(zhì)膜的第三電解質(zhì)膜制造過(guò)程；以及通過(guò)在第二和第三電解質(zhì)膜之間夾持第一電解質(zhì)膜而制作燃料電池電解質(zhì)膜的燃料電池電解質(zhì)膜制造過(guò)程。燃料電池電解質(zhì)膜以如下方式構(gòu)造均具有相對(duì)較低濃度磷酸的第二和第三電解質(zhì)膜夾持具有相對(duì)較高濃度磷酸的第一電解質(zhì)膜。亦即，比第一電解質(zhì)膜更堅(jiān)固的第二和第三電解質(zhì)膜的表面分別與陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極和陰極氣體擴(kuò)散電極相接觸。由此，減小了在燃料電池電解質(zhì)膜被施壓時(shí)，該燃料電池電解質(zhì)膜作為整體的損傷，這導(dǎo)致交叉泄露 (即漏電流)的減少，亦即在保證電導(dǎo)率的狀態(tài)下耐久性的增加。第一電解質(zhì)膜通過(guò)在所述第一電解質(zhì)膜制造過(guò)程中的溶膠凝膠方法來(lái)形成；第二電解質(zhì)膜通過(guò)在所述第二電解質(zhì)膜制造方法中的澆注方法、然后用磷酸溶液浸漬來(lái)形成； 第三電解質(zhì)膜通過(guò)在所述第三電解質(zhì)膜制造方法中的澆注方法、然后用磷酸溶液浸漬來(lái)形成。因此，布置為分別與陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極和陰極氣體擴(kuò)散電極相接觸的第二和第三電解質(zhì)膜(磷酸浸漬的澆注膜)具有比第一電解質(zhì)膜(溶膠凝膠膜)較低的磷酸濃度，并由此具有更大的剛性。由此，減小了在燃料電池電解質(zhì)膜被施壓時(shí)，燃料電池電解質(zhì)膜作為整體的損傷，這導(dǎo)致交叉泄露(即漏電流)的減少，亦即在保證電導(dǎo)率的狀態(tài)下耐久性的增加。


由以下參考附圖考慮的詳細(xì)描述，本公開(kāi)的前述和附加的特征和特性將變得更加明顯，其 中圖1是根據(jù)本文公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施方案的包括燃料電池電解質(zhì)膜的膜電極組合件的橫截面視圖；圖2是根據(jù)本文公開(kāi)一個(gè)實(shí)施方案的適當(dāng)實(shí)施例的包括燃料電池電解質(zhì)膜的膜電極組合件的橫截面視圖；圖3是包括圖2中圖示的膜電極組合件的燃料電池的橫截面視圖；圖4是說(shuō)明圖3中圖示的燃料電池的發(fā)電功能的透視圖；圖5是根據(jù)對(duì)比例的膜電極組合件的橫截面視圖；圖6是圖示根據(jù)實(shí)施方案的第一至第四實(shí)施例和對(duì)比例的膜電極組合件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖表；圖7是圖示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的改良實(shí)施例的橫截面視圖。
具體實(shí)施例方式
將參考附圖解釋實(shí)施方案。[包括燃料電池電解質(zhì)膜的膜電極組合件]如圖1中圖示的，用于燃料電池的膜電極組合件1包括燃料電池電解質(zhì)膜2、陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極3，以及陰極氣體擴(kuò)散電極4。燃料電池電解質(zhì)膜2被夾持在陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極3和陰極氣體擴(kuò)散電極4之間。燃料電池電解質(zhì)膜2包括第一電解質(zhì)膜5、第二電解質(zhì)膜6和第三電解質(zhì)膜7。第二和第三電解質(zhì)膜6和7布置為使得將第一電解質(zhì)膜5夾住并支撐(即夾持)在它們之間。 第一電解質(zhì)膜5由包括磷酸的堿性聚合物形成。作為堿性聚合物，例如，可應(yīng)用本領(lǐng)域中一般使用的包括至少一個(gè)氮原子的聚合物，特別是，在骨架鏈和/或側(cè)鏈上包括一個(gè)氮原子的聚合物。這樣的堿性聚合物期望在重復(fù)單元中含有至少一個(gè)氮原子，并且進(jìn)一步期望在重復(fù)單元中含有包括至少一個(gè)氮原子的芳香環(huán)(例如，五元環(huán)或六元環(huán))。此時(shí)，除包括一個(gè)氮原子的重復(fù)單元以外還具有不包括氮原子的重復(fù)單元的共聚物也可以用作堿性聚合物。具體地，例如，聚苯并咪唑、聚(吡啶)、聚(嘧啶)、聚咪唑、聚苯并噻唑、聚苯并 P惡唑、聚$惡二唑、聚喹啉、聚喹喔啉、聚噻二唑、聚(四氮雜芘)、聚口惡唑、聚噻唑、聚乙烯基吡啶或聚乙烯基咪唑可以用于堿性聚合物。此時(shí)，最期望的或適合的聚合物是聚苯并咪唑。 聚苯并咪唑的化學(xué)結(jié)構(gòu)的例子如下所示。[化學(xué)式1]堿性聚合物可以通過(guò)交聯(lián)劑在燃料電池電解質(zhì)膜2交聯(lián)。因?yàn)榻宦?lián)，聚合物的強(qiáng)度增加，以抑制燃料電池電解質(zhì)膜2的收縮。例如，聚氨酯交聯(lián)劑可以作用交聯(lián)劑。磷酸對(duì)應(yīng)于多磷酸(Ηη+2Ρη03η+1) (η > 1)，其具有含量至少83% (通過(guò)酸量滴定以 P2O5 if )的磷酸(H3PO3)、正磷酸(H3PO4)、焦磷酸(H4P2O7)、三磷酸(H5P3O10)和偏磷酸，或其混合物。第一電解質(zhì)膜5中含有 的磷酸濃度對(duì)應(yīng)于，例如，借助于堿性聚合物的浸漬或摻雜而在第一電解質(zhì)膜5中含有并保持的磷酸分子的濃度(例如重量百分比濃度)。此時(shí)， 第一電解質(zhì)膜5中含有的磷酸濃度可通過(guò)浸漬到堿性聚合物的磷酸濃度(例如，以重量計(jì) 80%或更大)、溫度條件(例如，20°C到1500C )，以及浸漬時(shí)間(例如，10到20分鐘)和磷酸的摻雜量的合適改變來(lái)調(diào)節(jié)。布置為分別從上側(cè)和下側(cè)夾持第一電解質(zhì)膜5的第二和第三電解質(zhì)膜6和7也以與第一電解質(zhì)膜5相同的方式由含有磷酸的堿性聚合物形成。構(gòu)成第二和第三電解質(zhì)膜6 和7的堿性聚合物和磷酸的原料與第一電解質(zhì)膜5的那些相同。另外，用于引起在第二和第三電解質(zhì)膜6和7中包含磷酸的方法也與第一電解質(zhì)膜5的相同。在磷酸以前述方式被包含的情況中，根據(jù)該實(shí)施方案，第二和第三電解質(zhì)膜6和7 的每個(gè)中磷酸的濃度規(guī)定為小于第一電解質(zhì)膜5中磷酸的濃度，以使第二和第三電解質(zhì)膜 6和7比第一電解質(zhì)膜5更堅(jiān)固。堿性聚合物和磷酸的原料、磷酸的濃度、制造方法等等，在第二電解質(zhì)膜6和第三電解質(zhì)膜7之間可以等同或有區(qū)別。溶膠凝膠膜可以適合于第一電解質(zhì)膜5，而磷酸浸漬的澆注膜可以適合于各第二和第三電解質(zhì)膜6和7。此時(shí)，溶膠凝膠膜是由溶膠凝膠方法生產(chǎn)的膜，而磷酸浸漬的澆注膜是由澆注方法生產(chǎn)并且其上浸漬有磷酸的膜。溶膠凝膠膜和磷酸浸漬的澆注膜將在后文詳細(xì)解釋。在其中第一電解質(zhì)膜5以及第二和第三電解質(zhì)膜6和7由上述膜制作方法(即沉積)生產(chǎn)或制造的情況中，電解質(zhì)膜5、6和7的每個(gè)中磷酸的濃度可以容易地調(diào)節(jié)。陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極3層疊在燃料電池電解質(zhì)膜2的第一側(cè)表面上(即，在圖1中提供有第二電解質(zhì)膜6的表面上)。根據(jù)該實(shí)施方案，陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極3包括陽(yáng)極催化劑層8和陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層9。陽(yáng)極催化劑層8包括？仏？(1、11~、他、08、1 11^11或48，或其合金， 并且最期望包括Pt。陽(yáng)極催化劑層8布置在陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層9和第二電解質(zhì)膜6之間，以便起到在陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極3處的化學(xué)反應(yīng)的催化劑功能。陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層9 一般由平坦構(gòu)件形成，所述平坦構(gòu)件具有傳導(dǎo)性和耐酸性。例如，平坦構(gòu)件(例如碳纖維紙、石墨化碳纖維紙、碳纖維織物和石墨化碳纖維織物)被用于陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層9。根據(jù)需要，平坦構(gòu)件用導(dǎo)電顆粒(例如碳黑)來(lái)浸漬。另外，根據(jù)需要， 在平坦構(gòu)件上實(shí)施防水工藝。陰極氣體擴(kuò)散電極4層疊在燃料電池電解質(zhì)膜2的第二側(cè)表面上(即，在圖1中提供有第三電解質(zhì)膜7的表面上)。根據(jù)該實(shí)施方案，陰極氣體擴(kuò)散電極4包括陰極催化劑層10和陰極氣體擴(kuò)散層11。陰極催化劑層10也包括？仏？(1、11~、他、08、1 11^11或48，或其合金，并且最期望包括Pt。陰極催化劑層10布置在陰極氣體擴(kuò)散層11和第三電解質(zhì)膜7 之間，以便起到在陰極氣體擴(kuò)散電極4處的化學(xué)反應(yīng)的催化劑功能。陰極氣體擴(kuò)散層11 一般也由平坦構(gòu)件形成，所述平坦構(gòu)件具有傳導(dǎo)性和耐酸性。 可以添加到陰極氣體擴(kuò)散層11的材料也與可以添加到陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層9的那些相同。膜電極組合件1的燃料電池電解質(zhì)膜2以如下方式構(gòu)造，即均具有相對(duì)較低的磷酸濃度的第二和第三電解質(zhì)膜6和7夾持具有相對(duì)較高磷酸濃度的第一電解質(zhì)膜5。亦即， 比第一電解質(zhì)膜5更堅(jiān)固的第二和第三電解質(zhì)膜6和7的表面分別與陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極3和陰極氣體擴(kuò)散電極4相接觸。由此，減小了在燃料電池電解質(zhì)膜2受壓時(shí)，該燃料電池電解質(zhì)膜2作為整體的損傷，這導(dǎo)致交叉泄露(即，漏電流)的減少，以及在確保電導(dǎo)率的狀態(tài)下耐久性的增加。此外，膜電極組合件1包括燃料電池電解質(zhì)膜2，該燃料電池電解質(zhì)膜 2受壓時(shí)其損傷減小。因此，減少了膜電極組合件1作為整體的交叉泄露，由此在確保電導(dǎo)率的同時(shí)增加耐久性。 根據(jù)該實(shí)施方案的燃料電池電解質(zhì)膜2，第二和第三電解質(zhì)膜6和7的端部可以在第一至第三電解質(zhì)膜5、6和7的平面方向上相對(duì)于第一電解質(zhì)膜5的端部向外延伸(如圖 1中 所示)，以便例如通過(guò)密封件、端部的接合來(lái)密封第一電解質(zhì)膜5。細(xì)節(jié)在下文參考圖2 來(lái)解釋。如圖2中所示，膜電極組合件1除了陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極3、陰極氣體擴(kuò)散電極4以及第一至第三電解質(zhì)膜5至7以外，還包括墊片12。墊片12緊密地封閉將第一電解質(zhì)膜5 夾持在它們之間的第二和第三電解質(zhì)膜6和7的兩個(gè)端部。因此，抑制了磷酸從包括相對(duì)較多磷酸的第一電解質(zhì)膜5的泄露。墊片12可以具有任何構(gòu)造，只要墊片12夾持第二和第三電解質(zhì)膜6和7，由此密封第一電解質(zhì)膜5即可。或者，第二和第三電解質(zhì)膜6和7的兩個(gè)端部可以接合，以由此密封第一電解質(zhì)膜5。根據(jù)包括具有前述構(gòu)造的燃料電池電解質(zhì)膜2的膜電極組合件1，除了源自于如上文所述和圖1中闡述的膜電極組合件1的結(jié)構(gòu)的效果以外，還實(shí)現(xiàn)了通過(guò)密封第一電解質(zhì)膜5來(lái)預(yù)防磷酸的泄露，即有效減少交叉泄露。[制造燃料電池電解質(zhì)膜的方法]將解釋用于制造燃料電池電解質(zhì)膜2的方法。用于制造燃料電池電解質(zhì)膜2的方法包括第一電解質(zhì)膜5的制造過(guò)程(第一電解質(zhì)膜制造過(guò)程)、第二電解質(zhì)膜6的制造過(guò)程(第二電解質(zhì)膜制造過(guò)程)、第三電解質(zhì)膜7的制造過(guò)程(第三電解質(zhì)膜制造過(guò)程)，以及燃料電池電解質(zhì)膜2的制造過(guò)程(燃料電池電解質(zhì)膜制造過(guò)程)。[1.制造第一電解質(zhì)膜5的方法]以磷酸(期望地，多磷酸)為溶劑同時(shí)將堿性聚合物的原材料混合到一起。將這樣的混合物在氮?dú)夥罩袛嚢?、加熱，并反?yīng)。通過(guò)已知的方法(例如，加熱狀態(tài)中的刮刀法) 使得到的反應(yīng)溶液經(jīng)歷沉積，以由此獲得通過(guò)溶膠凝膠方法制作的溶膠凝膠膜(即，第一電解質(zhì)膜5)。[2.制造第二電解質(zhì)膜6的方法]以磷酸(期望地，多磷酸)為溶劑同時(shí)將堿性聚合物的原材料混合到一起。將這樣的混合物在氮?dú)夥罩袛嚢?、加熱，并反?yīng)。將得到的反應(yīng)溶液放入超純水中，以便停止反應(yīng)并清洗。進(jìn)一步，對(duì)反應(yīng)溶液重復(fù)中和和過(guò)濾，直到反應(yīng)溶液被中和，并隨后減壓干燥，由此獲得樹(shù)脂。然后將樹(shù)脂溶解在溶劑中，并通過(guò)已知的方法(例如，刮刀法)使得到的濾液經(jīng)歷膜制作過(guò)程，然后干燥，由此獲得通過(guò)澆注方法制作的澆注膜。此后，將獲得的澆注膜用磷酸浸漬，以獲得磷酸浸漬的澆注膜(即，第二電解質(zhì)膜6)。[3.制造第三電解質(zhì)膜7的方法]用于制造第三電解質(zhì)膜7的方法與第二電解質(zhì)膜6的相同，最終獲得磷酸浸漬的澆注膜(即，第三電解質(zhì)膜7)。然而此時(shí)，第三電解質(zhì)膜7的沉積方法和最終磷酸濃度可以不同于第二電解質(zhì)膜6的那些。
[4.制造燃料電池電解質(zhì)膜2的方法] 利用第二和第三電解質(zhì)膜6和7在如上述制造的用作溶膠凝膠膜的第一電解質(zhì)膜 5的兩個(gè)側(cè)表面對(duì)其進(jìn)行夾持，由此獲得燃料電池電解質(zhì)膜2。在制造膜電極組合件1的情況下，以前述方式獲得的燃料電池電解質(zhì)膜2被陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極3和陰極氣體擴(kuò)散電極4從其兩個(gè)側(cè)表面夾持。陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極3以如下方式制造，其中含有例如Pt的催化劑墨被施加到陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層9，以形成層疊在陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層9上的陽(yáng)極催化劑層8。以相同的方式，陰極氣體擴(kuò)散電極4如下制造，其中含有例如Pt的催化劑墨被施加到陰極氣體擴(kuò)散層11，以形成層疊在陰極氣體擴(kuò)散層11上的陰極催化劑層10。之后，將所得的由陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極3、燃料電池電解質(zhì)膜2以及陰極氣體擴(kuò)散電極4形成的夾層形狀的層于高溫下加壓(即，熱壓)。結(jié)果，制造了圖1中闡述的膜電極組合件1。根據(jù)包括以前述方式制造的燃料電池電解質(zhì)膜2的膜電極組合件1，布置為分別與陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極3和陰極氣體擴(kuò)散電極4相接觸的第二和第三電解質(zhì)膜6和7 (磷酸浸漬的澆注膜)具有較之第一電解質(zhì)膜5 (溶膠凝膠膜)更低的磷酸濃度，以及因此更大的剛性。由此，減小了當(dāng)燃料電池電解質(zhì)膜2受壓時(shí)燃料電池電解質(zhì)膜2作為整體的損傷，這導(dǎo)致在確保導(dǎo)電性的同時(shí)，交叉泄露的減少和耐久性的增加。[燃料電池]接下來(lái)，將說(shuō)明包括膜電極組合件1的燃料電池13 (聚合物電解質(zhì)燃料電池)。因?yàn)槟る姌O組合件1中包括的燃料電池電解質(zhì)膜2具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的特征，燃料電池13以及其單電池的構(gòu)造可以具有任何已知的構(gòu)造。下文描述這種構(gòu)造的實(shí)例。圖3圖示說(shuō)明包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的燃料電池電解質(zhì)膜2的燃料電池13的單電池。如圖3中闡述的，燃料電池13除圖2中闡述的膜電極組合件1之外，還包括陽(yáng)極隔離器14和陰極隔離器15。陽(yáng)極隔離器14包括交替排列的多個(gè)突出部分和凹入部分。含氮?dú)怏w(即，燃料氣體)流動(dòng)通過(guò)的燃料氣體通道16形成在陽(yáng)極隔離器14處。陽(yáng)極隔離器14由導(dǎo)體材料制成。陰極隔離器15包括交替排列的多個(gè)突出部分和凹入部分。含氧氣體(即，氧化劑氣體)流動(dòng)通過(guò)的氧化劑氣體通道17形成在陰極隔離器15處。陰極隔離器15由導(dǎo)體材料制成。由于前述的隔離器14和15，燃料氣體和氧化劑氣體分別且均勻地流動(dòng)通過(guò)燃料電池13。此外，燃料電池13內(nèi)生成的水等被立即排出到其外部。為了易于理解，圖3圖示彼此平行排列的燃料氣體通道16和彼此平行排列的氧化劑氣體通道17的橫截面。圖4是用于解釋燃料電池13的發(fā)電功能的透視圖。如圖4中所示，一般地，燃料氣體通道16和氧化劑氣體通道17形成在燃料電池13處。燃料氣體和氧化劑氣體沿圖4 中的箭頭方向流動(dòng)，以使燃料電池13進(jìn)行發(fā)電。具體地，燃料氣體(即，氫氣)接觸陽(yáng)極催化劑層8，以由此引起反應(yīng) 2H2 — 4H++4e-。前述反應(yīng)中生成的“H+”移動(dòng)通過(guò)燃料電池電解質(zhì)膜2，并達(dá)到陰極氣體擴(kuò)散電極4。然后借助于陰極催化劑層10，相對(duì)于氧化劑氣體(即，空氣中的氧)引起反應(yīng)4H++4e>02 - 2H20,由此獲得水。根據(jù)前述反應(yīng)，燃料電池13 (聚合物電解質(zhì)燃料電池)禾Ij 用氫和氧，通過(guò)電解反應(yīng)的相反過(guò)程進(jìn)行發(fā)電。燃料電池13在例如從140°C至160°C的溫 度環(huán)境中使用。燃料電池13包括燃料電池電解質(zhì)膜2，所述燃料電池電解質(zhì)膜2受壓時(shí)其損傷得 到減小。結(jié)果，減少了燃料電池13作為整體的交叉泄露，由此在確保電導(dǎo)率的同時(shí)增強(qiáng)了 耐久性。[第一實(shí)施例]根據(jù)實(shí)施方案的第一實(shí)施例，膜電極組合件1包括燃料電池電解質(zhì)膜2，其中第一 電解質(zhì)膜5的厚度“a”(參見(jiàn)圖1)為40 y m，每個(gè)第二和第三電解質(zhì)膜6和7的厚度“b”(參 見(jiàn)圖1)為25 y m，并且每個(gè)第二和第三電解質(zhì)膜6和7的堿性聚合物是聚苯并咪唑(PBI)。首先，制備溶膠凝膠膜構(gòu)成的第一電解質(zhì)膜5。具體地，以l.Mg多磷酸(由 Sigma-Aldrich制造)為溶剤，在250毫升三頸可拆式燒瓶中，混合7. 587g的3，3 ‘ -ニ氨 基聯(lián)苯胺(由Sigma-Aldrich制造)和6. OOOg的間苯ニ甲酸(由Sigma-Aldrich制造)。 機(jī)械攪拌下，伴隨氮?dú)饬鳉夥眨?00°C在油浴中加熱該混合物，以使反應(yīng)8小吋。得到的反 應(yīng)溶液基本上呈深棕色粘稠膏狀物形式。前述反應(yīng)中的化學(xué)反應(yīng)式如下所示。[化學(xué)反應(yīng)式2]
權(quán)利要求
1.一種燃料電池電解質(zhì)膜，包括由包含磷酸的堿性聚合物形成的第一電解質(zhì)膜(5)；以及由包含磷酸的堿性聚合物分別形成的第二和第三電解質(zhì)膜(6，7)，并且在所述第二和第三電解質(zhì)膜(6，7)之間夾持所述第一電解質(zhì)膜(5)，所述第一電解質(zhì)膜(5)中包含的磷酸濃度大于所述第二和第三電解質(zhì)膜(6，7)的每一個(gè)中包含的磷酸濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解質(zhì)膜(2)，其中所述第一電解質(zhì)膜(5)是溶膠凝膠膜，并且所述第二和第三電解質(zhì)膜(6，7)是磷酸浸漬的澆注膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電解質(zhì)膜(2)，其中所述堿性聚合物是聚苯并咪唑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3任意之一所述的電解質(zhì)膜(2)，其中所述第二和第三電解質(zhì)膜 (6,7)在所述第一到第三電解質(zhì)膜(5，6，7)的平面方向上相對(duì)于所述第一電解質(zhì)膜(5)的端部向外延伸，所述第一電解質(zhì)膜(5)由所述第二和第三電解質(zhì)膜(6，7)的端部密封。
5.一種膜電極組合件(1)，包括根據(jù)權(quán)利要求1 4中任意之一所述的燃料電池電解質(zhì)膜(2)、層疊在所述燃料電池電解質(zhì)膜(2)的第一側(cè)表面上的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極(3)，以及層疊在所述燃料電池電解質(zhì)膜(2)的第二側(cè)表面上的陰極氣體擴(kuò)散電極(4)。
6.一種燃料電池(13)，包括根據(jù)權(quán)利要求5所述的膜電極組合件(1)、與所述膜電極組合件⑴的所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極⑶相接觸并且由燃料氣體通道(16)形成的陽(yáng)極隔離器(14)，以及與所述膜電極組合件(1)的所述陰極氣體擴(kuò)散電極(4)相接觸并且由氧化劑氣體通道(17)形成的陰極隔離器(15)。
7.一種用于制造燃料電池電解質(zhì)膜(2)的方法，包括通過(guò)沉積包含磷酸的堿性聚合物來(lái)制造第一電解質(zhì)膜(5)的第一電解質(zhì)膜制造過(guò)程；通過(guò)沉積包含磷酸的堿性聚合物來(lái)制造第二電解質(zhì)膜(6)的第二電解質(zhì)膜制造過(guò)程， 所述第二電解質(zhì)膜(6)中包含的磷酸濃度低于所述第一電解質(zhì)膜(5)中包含的磷酸濃度；通過(guò)沉積包含磷酸的堿性聚合物來(lái)制造第三電解質(zhì)膜(7)的第三電解質(zhì)膜制造過(guò)程， 所述第三電解質(zhì)膜(7)中包含的磷酸濃度低于所述第一電解質(zhì)膜(5)中包含的磷酸濃度； 以及通過(guò)在所述第二和第三電解質(zhì)膜(6，7)之間夾持所述第一電解質(zhì)膜(5)來(lái)制造所述燃料電池電解質(zhì)膜(2)的燃料電池電解質(zhì)膜制造過(guò)程。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于制造所述燃料電池電解質(zhì)膜(2)的方法，其中在所述第一電解質(zhì)膜制造過(guò)程中，通過(guò)溶膠凝膠方法來(lái)形成所述第一電解質(zhì)膜(5)；在所述第二電解質(zhì)膜制造過(guò)程中，通過(guò)澆注方法、然后用磷酸溶液浸漬來(lái)形成所述第二電解質(zhì)膜(6)；以及在所述第三電解質(zhì)膜制造過(guò)程中，通過(guò)澆注方法、然后用磷酸溶液浸漬來(lái)形成所述第三電解質(zhì)膜(7)。
全文摘要
一種燃料電池電解質(zhì)膜(2)，包括由包含磷酸的堿性聚合物形成的第一電解質(zhì)膜(5)，以及由包含磷酸的堿性聚合物形成的第二和第三電解質(zhì)膜(6、7)，在所述第二和第三電解質(zhì)膜(6、7)之間夾持所述第一電解質(zhì)膜(5)。所述第一電解質(zhì)膜(5)包含的磷酸濃度大于每個(gè)所述第二和第三電解質(zhì)膜(6、7)中包含的磷酸濃度。
文檔編號(hào)B32B27/18GK102386424SQ20111026080
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
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