專利名稱：電解質(zhì)膜，其制造方法以及具有該電解質(zhì)膜的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電解質(zhì)膜、其制造方法及具有該電解質(zhì)膜的燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池是利用電化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電的一種電池裝置，其工作原理是利用燃料氣體(如氫氣)與助燃劑(如氧氣)分別輸送到電池的陽極與陰極，發(fā)生氧化與還原反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵?。燃料電池高效率、低污染的兩大?yōu)勢，使該技術(shù)自開發(fā)以來一直廣受矚目，目前，美國、日本、加拿大等經(jīng)濟發(fā)達(dá)國家政府已制定相關(guān)政策發(fā)展燃料電池。
質(zhì)子交換膜燃料電池是第五代先進(jìn)燃料電池，除具備燃料電池一般特點如不受卡諾循環(huán)(Carnot Cycle)限制、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點之外，同時還具有常溫快速激活、無電解液流失、壽命長、比功率及比能量高等突出優(yōu)點。質(zhì)子交換膜燃料電池按照其所使用的燃料可分為兩類一類以純氫或重整氫為原料的氫氣燃料電池；另一類直接以甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)。雖然氫氣為質(zhì)子交換膜燃料電池理想的燃料，但是，以純氫為燃料時，氫氣的儲存、輸送不僅有一定的危險性，而且建立氫氣供應(yīng)設(shè)備投資巨大；重整氫氣雖可避免新建燃料供應(yīng)設(shè)備，但卻需要增添一氣體重整凈化過程，無疑會增加電池成本；加上氫氣燃料電池的電池結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，從而一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。相對而言，直接甲醇燃料電池最突出在于，其燃料改用液態(tài)甲醇取代氫氣作燃料，大幅度提升燃料電池攜帶性及安全性，可方便應(yīng)用于各種攜帶性電器用品如筆記本計算機、PDA、GPS上等。
質(zhì)子交換膜的甲醇滲透問題是直接甲醇燃料電池目前存在的主要技術(shù)難題。氫氣燃料電池中廣泛采用的全氟磺酸膜如Nafion系列膜具有較高的甲醇滲透率。甲醇穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，一方面與氧發(fā)生不產(chǎn)生電流的反應(yīng)，造成氧化劑浪費；另一方面甲醇占據(jù)氧化劑的活性位置，造成氧氣無法被有效還原，致使陰極效能降低，從而降低電池的整體性能。因此，降低甲醇通過質(zhì)子交換膜的滲透率，制備出阻醇能力好、高性能、低成本的質(zhì)子交換膜是開發(fā)高性能直接甲醇燃料電池的關(guān)鍵所在。
2004年9月15日公告的專利號為02115185.7的中國專利揭示一種直接甲醇燃料電池用聚苯乙烯磺酸膜，其以聚苯乙烯為原料，在惰性氣體保護下，采用酰化劑與濃硫酸的絡(luò)合物作為磺化劑，制備聚苯乙烯磺酸膜。其中，制備過程中通過控制磺化程度以及磺酸基團的分布狀況，對聚苯乙烯磺酸膜進(jìn)行改性，在不影響膜的質(zhì)子傳導(dǎo)性能的前提下，降低甲醇在膜內(nèi)的穿透率，提高膜材料的阻醇性能。
日本富士通研究所在2004年12月8日公布了一款用于筆記本計算機的直接甲醇燃料電池的試制品，該電池的最大輸出功率為15W，使用300ml甲醇溶液時，可驅(qū)動該公司筆記本計算機“FMV-BIBLOMG55E”運行8～10小時。其所用高分子電解質(zhì)膜的材料具有芳香族主鏈接構(gòu)，與原來普遍使用的氟化樹脂相比，高分子的空間結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。該高分子電解質(zhì)膜具有一定剛性且很細(xì)密，與工程塑料同等堅固，對甲醇滲透通過電解質(zhì)膜的防范效果大約提高五倍。采用該種高分子電解質(zhì)膜，即便甲醇溶液濃度為30％，也未發(fā)生滲透現(xiàn)象而導(dǎo)致輸出功率下降。
2005年2月24日公開的公開號為20050042499的美國專利申請揭示一種DMFC系統(tǒng)。參閱圖1，該DMFC結(jié)構(gòu)具有一陰極2，一陽極11及一電解質(zhì)膜4，陰極2與陽極11位于電解質(zhì)膜4的異側(cè)，一陽極3設(shè)置在電解質(zhì)膜4內(nèi)部并與陽極11電連接，其將電解質(zhì)膜4分為區(qū)域12與區(qū)域13。甲醇要從陽極11穿透電解質(zhì)膜4到達(dá)陰極2，需經(jīng)過陽極3，到達(dá)該陽極3的甲醇將會發(fā)生氧化反應(yīng)被消耗，因此，到達(dá)區(qū)域13的甲醇將會大大減少。因此，該DMFC結(jié)構(gòu)利用設(shè)置多個陽極，使得甲醇逐步減少，有效阻止甲醇穿過電解質(zhì)膜。
總之，為解決DMFC系統(tǒng)中，甲醇穿過電解質(zhì)膜影響電池性能這一技術(shù)難點，有必要提供一種能有效抑制甲醇的穿透現(xiàn)象，使DMFC的性能得到較好發(fā)揮的電解質(zhì)膜。

發(fā)明內(nèi)容以下，將以實施例說明電解質(zhì)膜，其制造方法及具有該電解質(zhì)膜的燃料電池。
為實現(xiàn)上述內(nèi)容，提供一種電解質(zhì)膜，其包括一電解質(zhì)基體，該電解質(zhì)基體上形成有一金屬膜。
該電解質(zhì)基體采用普通質(zhì)子交換膜，其包括聚乙烯磺酸膜、聚苯乙烯磺酸膜或全氟磺酸系列膜。
另，提供一種電解質(zhì)膜的制造方法，其包括以下步驟提供一電解質(zhì)基體；在該電解質(zhì)基體上形成有一金屬膜。
又，提供一種燃料電池，其具有一陽極，一陰極；一電解質(zhì)膜設(shè)置在該陽極與該陰極之間，該電解質(zhì)膜上形成有一金屬膜。
上述金屬膜包括Ni、Pd、Pt或Au。
上述電解質(zhì)膜的陽極側(cè)、陰極側(cè)、或陽極側(cè)與陰極側(cè)均形成有上述金屬膜。
本技術(shù)方案的電解質(zhì)膜采用普通質(zhì)子交換膜作為基體，該基體上形成有一金屬膜。采用該電解質(zhì)膜的燃料電池工作時，該金屬膜可有效阻止燃料穿過電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，減少燃料浪費、避免陰極效能降低，提高電池供電效率。

圖1是美國專利申請第20050042499號揭示的電解質(zhì)膜結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實施例的直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明實施例的電解質(zhì)膜結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式下面將結(jié)合附圖及實施例對電解質(zhì)膜，其制造方法及具有該電解質(zhì)膜的燃料電池作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖2是直接甲醇燃料電池簡易結(jié)構(gòu)示意圖，包括一電解質(zhì)膜100，一陽極200及一陰極300。該電解質(zhì)膜100具有一電解質(zhì)基體110，一金屬膜120形成于該電解質(zhì)基體110上，其成分通常包括Ni、Pd、Pt或Au等，其可以阻止甲醇燃料通過。
該電解質(zhì)基體110為普通質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜系燃料電池的一種電解質(zhì)，通常為傳導(dǎo)質(zhì)子的固體高分子膜或固體聚合物膜。目前常用美國Du Pont公司的全氟磺酸膜Nafion系列膜，如Nafion117、115、112、105等。
陽極200與陰極300通常所用材料為石墨、復(fù)合碳材或金屬。此外，陽極200與陰極300包括觸媒、氣體擴散層等。
該電解質(zhì)膜的制造方法包括以下步驟首先，制備電解質(zhì)基體；在該電解質(zhì)基體上形成一金屬膜。
首先，提供電解質(zhì)基體。
本實施例所用的電解質(zhì)基體包括普遍采用的全氟磺酸系列膜，也可采用先前技術(shù)所公開使用的阻醇性能較好的質(zhì)子交換膜如聚乙烯磺酸膜，或聚苯乙烯磺酸膜等。
其次，在電解質(zhì)基體110上形成金屬膜120。
金屬膜120主要用來阻止燃料穿過電解質(zhì)基體到達(dá)陰極，避免陰極性能下降且燃料浪費。金屬膜120可形成于電解質(zhì)基體110的陽極側(cè)、陰極側(cè)或陽極側(cè)與陰極側(cè)均有。形成于陽極側(cè)時，可阻止燃料進(jìn)入電解質(zhì)基體110，避免燃料浪費；形成于陰極側(cè)時，燃料可進(jìn)入電解質(zhì)基體110中，但不會穿過到達(dá)陰極，避免燃料影響陰極性能，還可阻止陰極的氧化劑進(jìn)入電解質(zhì)基體110中，避免其浪費；陽極側(cè)與陰極側(cè)均形成有金屬膜120時，燃料與氧化劑均不會進(jìn)入電解質(zhì)基體110中。
原子沉積法是材料表面形成膜層方法之一，原子沉積法可分為液相沉積法與氣相沉積法。液相沉積法包括電鍍、無電鍍、電泳等；氣相沉積法包括物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法等。通常情況下，氣相沉積法比傳統(tǒng)液相沈積法成膜效果好，但成本高。
針對本實施例的電解質(zhì)基體110上形成金屬膜120，可采用物理氣相沉積法。物理氣相沉積法包括蒸發(fā)、濺鍍、離子鍍等，其中，濺鍍因其具有極佳的沉積效率、大面積沉積厚度的可控性、精確的成分控制等優(yōu)點而被廣泛采用。
本實施例的電解質(zhì)基體110上形成金屬膜120，也可利用液相沉積法，考慮到電解質(zhì)基體110非導(dǎo)體，故采用無電鍍法。無電鍍，即化學(xué)鍍，該方法只需將待鍍材料浸入化學(xué)溶液中，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)在材料表面形成一層膜。該方法操作簡單，成本低。實際應(yīng)用中，通常將氣相沉積與化學(xué)鍍相結(jié)合使用。
金屬膜120的厚度對其阻醇性能有很大影響，厚度愈大，阻醇性能愈好。實際中燃料電池要求金屬膜120的厚度較大時，采用氣相沉積成本較高。因此，可將氣相沉積與化學(xué)鍍相結(jié)合。如圖3所示，首先采用氣相沉積法在電解質(zhì)基體110上形成厚度較小的一第一金屬薄膜121，其次采用化學(xué)鍍法在第一金屬薄層121上形成所需厚度的第二金屬薄膜122。
因此，實際應(yīng)用中對金屬膜120的厚度要求較小時，可直接采用氣相沉積便可。
下面將對本實施例的直接甲醇燃料電池工作過程作詳細(xì)說明甲醇水溶液作為燃料從陽極輸入燃料電池系統(tǒng)中，在陽極催化劑的作用下，甲醇與水反應(yīng)產(chǎn)生氫離子(質(zhì)子)、電子及二氧化碳。陽極反應(yīng)方程式如下(1)反應(yīng)生成的氫離子(質(zhì)子)可通過電解質(zhì)膜100到達(dá)陰極300，電子經(jīng)外電路到達(dá)陰極300，此過程即為燃料電池向負(fù)載供電的過程。
空氣或氧氣從陰極輸入燃料電池系統(tǒng)中，在陰極催化劑作用下，氧氣與達(dá)陰極的氫離子(質(zhì)子)、電子結(jié)合生成水。陰極反應(yīng)方程式如下(2)結(jié)合方程式(1)、(2)可得燃料電池反應(yīng)總方程如下(3)直接甲醇燃料電池中，燃料甲醇溶液在陽極發(fā)生反應(yīng)時，部分甲醇會穿過電解質(zhì)膜向陰極擴散，形成有Ni、Pd、Pt或Au的金屬膜120可有效阻止甲醇穿過。
本實施例以直接甲醇燃料電池為例，采用涂覆金屬膜120的電解質(zhì)膜100，可防止甲醇到達(dá)陰極，既降低陰極性能又浪費燃料，從整體上降低直接甲醇燃料電池效能。
本實施例的電解質(zhì)膜100不限于直接甲醇燃料電池，對于采用其它燃料如氫氣、乙醇、乙二醇、醚類等燃料電池，只要改變該金屬膜120的成分便可同樣阻止燃料穿過電解質(zhì)膜100。此外，金屬膜120不僅對燃料穿過電解質(zhì)膜具有阻止作用，也可阻止陰極的氧化劑如空氣或氧氣穿過電解質(zhì)膜，避免氧化劑的浪費。
本發(fā)明的電解質(zhì)膜采用普通質(zhì)子交換膜作為基體，該基體上形成有一金屬膜。采用該電解質(zhì)膜的燃料電池工作時，該金屬膜層可有效阻止燃料穿過電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，減少燃料浪費、避免陰極效能的降低，提高電池供電效率。
權(quán)利要求
1.一種電解質(zhì)膜，其包括一電解質(zhì)基體，其特征在于，該電解質(zhì)基體上形成有一金屬膜。
2.如權(quán)利要求1所述的電解質(zhì)膜，其特征在于，該電解質(zhì)基體為普通質(zhì)子交換膜。
3.如權(quán)利要求1所述的電解質(zhì)膜，其特征在于，該普通質(zhì)子交換膜包括聚乙烯磺酸膜、聚苯乙烯磺酸膜或全氟磺酸系列膜。
4.如權(quán)利要求1所述的電解質(zhì)膜，其特征在于，該金屬膜包括一第一金屬膜與一第二金屬膜，該第二金屬膜形成于第一金屬膜上。
5.如權(quán)利要求1或4所述的電解質(zhì)膜，其特征在于，該金屬膜包括Ni、Pd、Pt或Au。
6.一種燃料電池，其具有一陽極；一陰極；一電解質(zhì)膜設(shè)置于該陽極與該陰極之間；其特征在于，該電解質(zhì)膜上形成有一金屬膜。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池，其特征在于，該金屬膜包括Ni、Pd、Pt或Au。
8.如權(quán)利要求6所述的燃料電池，其特征在于，該電解質(zhì)膜的陽極側(cè)形成有金屬膜。
9.如權(quán)利要求6所述的燃料電池，其特征在于，該電解質(zhì)膜的陰極側(cè)形成有金屬膜。
10.如權(quán)利要求6所述的燃料電池，其特征在于，該電解質(zhì)膜的陽極側(cè)與陰極側(cè)均形成有金屬膜。
11.如權(quán)利要求6所述的燃料電池，其特征在于，該燃料電池所用燃料包括氫氣、甲醇、乙醇或乙二醇。
12.一種電解質(zhì)膜的制造方法，其包括以下步驟提供一電解質(zhì)基體；在該電解質(zhì)基體上形成一金屬膜。
13.如權(quán)利要求12所述的電解質(zhì)膜的制造方法，其特征在于，該電解質(zhì)基體為普通質(zhì)子交換膜。
14.如權(quán)利要求13所述的電解質(zhì)膜的制造方法，其特征在于，該普通質(zhì)子交換膜包括聚乙烯磺酸膜、聚苯乙烯磺酸膜或全氟磺酸系列膜。
15.如權(quán)利要求12所述的電解質(zhì)膜的制造方法，其特征在于，該電解質(zhì)基體上形成金屬膜包括以下步驟預(yù)先形成一第一金屬膜；在第一金屬膜層上形成一第二金屬膜。
16.如權(quán)利要求15所述的電解質(zhì)膜的制造方法，其特征在于，該第一金屬膜利用物理氣相沉積法形成于電解質(zhì)膜上。
17.如權(quán)利要求15所述的電解質(zhì)膜的制造方法，其特征在于，該第二金屬膜采用無電鍍法形成于電解質(zhì)膜上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電解質(zhì)膜，其包括一電解質(zhì)基體，該電解質(zhì)基體上形成有一金屬膜。另，本發(fā)明還提供該電解質(zhì)膜的制造方法，其包括以下步驟提供一電解質(zhì)基體；在該電解質(zhì)基體上形成一金屬膜。此外，本發(fā)明還提供一具有該電解質(zhì)膜的燃料電池。本發(fā)明的電解質(zhì)膜用于燃料電池時，其金屬膜可有效阻止燃料穿過電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，減少燃料浪費、避免陰極效能降低，提高電池供電效率。
文檔編號H01M8/10GK1845366SQ200510034108
公開日2006年10月11日 申請日期2005年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月8日
發(fā)明者黃全德 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司