專利名稱：聚合物電解液膜、膜電極組件、燃料電池系統(tǒng)及膜電極組件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚合物電解液膜，膜電極組件，燃料電池系統(tǒng)，及膜電極組件的制備方法，更具體地，本發(fā)明涉及具有更寬表面積的用于燃料電池的聚合物電解液膜，具有良好效率的膜電極組件，包括該膜電極組件的燃料電池系統(tǒng)，以及膜電極組件的制備方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種發(fā)電系統(tǒng)，其通過(guò)氧與烴基材料如甲醇、乙醇或天然氣中所包含的氫之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
依據(jù)所用電解液的類型，燃料電池可分為磷酸型、熔融碳酸鹽型、固體氧化物型、聚合物電解液型或堿性燃料電池。盡管這些不同類型的燃料電池的工作原理基本相同，但是在燃料類型、工作溫度、催化劑及所用電解液方面，它們彼此之間還是有區(qū)別的。
近來(lái)，已經(jīng)開發(fā)出聚合物電解液膜燃料電池(PEMFC)。除了較低的工作溫度之外，它們還具有優(yōu)于常規(guī)燃料電池的功率特性，以及較快的啟動(dòng)和響應(yīng)特性。因此，PEMFC可以應(yīng)用于更廣的領(lǐng)域，如用于汽車的可移動(dòng)電源，用于家庭和公共建筑物的分電源，及電子設(shè)備的小型電源。
PEMFC基本上由電池組、重整器、燃料箱和燃料泵組成。電池組構(gòu)成PEMFC的主體，而燃料泵則是用于將貯存在燃料箱中的燃料提供給重整器。重整器重整燃料以產(chǎn)生氫氣，并將氫氣提供給電池組，氫氣在電池組中與氧進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生電能。
作為選擇，燃料電池可以包括直接甲醇燃料電池(DMFC)，其中液體甲醇燃料被直接引入電池組中。與PEMFC不同，DMFC不需要重整器。
在上述燃料電池系統(tǒng)中，用于產(chǎn)生電力的電池組具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中若干個(gè)具有膜電極組件(MEA)和隔板(亦稱之為雙極板)的單元電池彼此相鄰地堆疊。MEA具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中聚合物電解液膜布置并粘附在陽(yáng)極(亦稱之為燃料電極或氧化電極)與陰極(亦稱之為空氣電極或還原電極)之間。
隔板既充當(dāng)將燃料電池反應(yīng)所需的燃料和氧提供給陽(yáng)極和陰極的通道，同時(shí)又充當(dāng)串接每個(gè)MEA的陽(yáng)極和陰極的導(dǎo)體。燃料的電化學(xué)氧化發(fā)生在陽(yáng)極，氧的電化學(xué)還原發(fā)生在陰極。由于反應(yīng)所產(chǎn)生的電子的運(yùn)動(dòng)，所以共同地產(chǎn)生電、熱和水。
陽(yáng)極和陰極通常包含鉑催化劑。然而，由于鉑是要大量使用的過(guò)于昂貴的貴金屬，所以鉑通常擔(dān)載在碳層上，以降低鉑的用量。
然而，擔(dān)載在碳上的鉑催化劑會(huì)帶來(lái)某些缺點(diǎn)，如厚的催化劑層，催化劑層具有有限的鉑貯存能力，或者燃料電池因催化劑層與電解液膜之間的不良接觸條件而惡化。
因此，需要開發(fā)這樣的MEA，其即使在催化劑層中的催化劑含量降低時(shí)仍具有良好電池容量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方案提供具有高比表面積的用于燃料電池的聚合物電解液膜。
本發(fā)明的實(shí)施方案提供其中催化劑具有高比表面積的膜電極組件(MEA)。
本發(fā)明的實(shí)施方案提供包括具有高比表面積的聚合物電解液膜的燃料電池系統(tǒng)。
本發(fā)明的實(shí)施方案提供一種其中催化劑具有高比表面積的MEA的制備方法。
本發(fā)明的實(shí)施方案之一提供用于燃料電池的聚合物電解液膜，其包括質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜，及涂布在所述聚合物膜任意一側(cè)的質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維。
本發(fā)明的實(shí)施方案之一還提供包括用于燃料電池的聚合物電解液膜的膜電極組件，所述聚合物電解液膜具有質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜，涂布在聚合物膜任意一側(cè)的質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維，涂布在聚合物電解液膜任意一側(cè)的催化劑層，及布置在催化劑層上的氣體擴(kuò)散層。
本發(fā)明的實(shí)施方案之一提供燃料電池系統(tǒng)。燃料電池包括發(fā)電單元，該發(fā)電單元包括隔板和隔板之間的膜電極組件，該膜電極組件包括陽(yáng)極和陰極以及介于陽(yáng)極和陰極之間的聚合物電解液膜；用于向發(fā)電單元提供包括氫或甲醇等燃料的燃料供給單元；用于向發(fā)電單元提供氧化劑的氧化劑供給單元。在該實(shí)施方案中，聚合物電解液膜包括質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜，及涂布在聚合物膜任意一側(cè)的質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維。
本發(fā)明的實(shí)施方案之一提供一種制備膜電極組件的方法。該方法包括用質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維涂布質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜，以制備用于燃料電池的聚合物電解液膜；在用于燃料電池的聚合物電解液膜的任意一側(cè)沉積催化劑，以形成催化劑層；及在催化劑層上布置氣體擴(kuò)散層。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池的聚合物電解液膜的一側(cè)的示意性平面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的膜電極組件(MEA)的示意性截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步包括微孔層的MEA的示意性截面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；圖5是包括本發(fā)明之燃料電池的聚合物電解液膜的發(fā)電單元的分解透視圖；及圖6是根據(jù)實(shí)施例1的聚合物電解液膜的掃描電子顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池聚合物電解液膜100的一側(cè)的示意性平面圖。參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池聚合物電解液膜100包括質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜101和涂布在質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜101任意一側(cè)的質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維102。
在一個(gè)實(shí)施方案中，質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜101包括作為燃料電池的電解液膜材料而常用的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物。質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜101的示例性材料包括全氟-基聚合物，苯并咪唑-基聚合物，聚酰亞胺-基聚合物，聚醚酰亞胺-基聚合物，聚苯硫醚-基聚合物，聚砜-基聚合物，聚醚砜-基聚合物，聚醚酮-基聚合物，聚醚-醚酮-基聚合物，聚苯基喹喔啉-基聚合物，及其組合。優(yōu)選的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物包括聚(全氟磺酸)，聚(全氟羧酸)，包含磺酸基的氟乙烯基醚與四氟乙烯的共聚物，脫氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，聚(2，5-苯并咪唑)，及其組合。然而，根據(jù)本發(fā)明的聚合物電解液膜100中所包含的圖1的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜101，并不限于上述這些材料。
在一個(gè)實(shí)施方案中，涂布在質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜101任意一側(cè)的質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維102的平均直徑為0.01～5μm，更優(yōu)選為0.01～0.5μm。當(dāng)微纖維的平均直徑小于0.01μm時(shí)，制備微纖維102的工藝因制備它們需要高電壓而變得困難。作為選自，當(dāng)平均直徑大于5μm時(shí)，表面積的提高不充分。
在一個(gè)實(shí)施方案中，質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維102通過(guò)電旋涂法涂布在質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜101的任意一側(cè)，在所述電旋涂法中，通過(guò)向聚合物熔體或聚合物溶液施加電勢(shì)差來(lái)旋涂聚合物。
在一個(gè)實(shí)施方案中，質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維102包括作為燃料電池電解液膜而常用的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物。質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維102的示例性材料包括全氟-基聚合物，苯并咪唑-基聚合物，聚酰亞胺-基聚合物，聚醚酰亞胺-基聚合物，聚苯硫醚-基聚合物，聚砜-基聚合物，聚醚砜-基聚合物，聚醚酮-基聚合物，聚醚-醚酮-基聚合物，聚苯基喹喔啉-基聚合物，及其組合。優(yōu)選的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物包括聚(全氟磺酸)，聚(全氟羧酸)，包含磺酸基的氟乙烯基醚與四氟乙烯的共聚物，脫氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，聚(2，5-苯并咪唑)，及其組合。然而，包含在根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池的聚合物電解液膜100中的質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維102并不限于上述這些材料。
考慮到圖1，由于聚合物電解液膜100任意一側(cè)的表面積因質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維102而變大，所以能夠與膜電極組件(MEA)的催化劑層接觸的面積也變大，從而使燃料電池的效率得到提高。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的MEA 10的截面示意圖。參照?qǐng)D2，MEA 10包括圖1的用于燃料電池的聚合物電解液膜100。另外，MEA 10包括利用沉積等方法涂布在聚合物電解液膜100任意一側(cè)的催化劑層110和110’，以及分別布置在催化劑層110和110’上的氣體擴(kuò)散層120和120’。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，催化劑層110和110’中至少一層中的催化劑的含量為0.001～0.5mg/cm2，更優(yōu)選為0.01～0.05mg/cm2。當(dāng)催化劑層110和110’中的催化劑含量小于0.001mg/cm2時(shí)，燃料電池的輸出功率不充分。另外，當(dāng)催化劑層110和110’中的催化劑含量大于0.5mg/cm2時(shí)，會(huì)降低催化劑的最佳利用率。
而且，在一個(gè)實(shí)施方案中，催化劑層110和110’中所含催化劑的比表面積為10～500m2/g。由于燃料電池的氧化/還原反應(yīng)發(fā)生在催化劑的表面，所以比表面積越大，燃料電池效率越好。因此，當(dāng)催化劑的比表面積小于10m2/g時(shí)，燃料電池的效率降低。然而，當(dāng)其大于500m2/g時(shí)，其制備工藝變得困難。
在一個(gè)實(shí)施方案中，催化劑層110和110’包括選自下列的催化劑鉑，釕，鋨，鉑-釕合金，鉑-鋨合金，鉑-鈀合金，鉑-M合金(這里M為選自下列中的至少一種過(guò)渡金屬Ga，Ti，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu，及Zn)，及其組合。優(yōu)選的催化劑包括鉑，釕，鋨，鉑-釕合金，鉑-鋨合金，鉑-鈀合金，鉑-鈷合金，鉑-鎳合金，及其組合。
如圖2所示，氣體擴(kuò)散層(GDL)120和120’分別布置在催化劑層110和110’上。氣體擴(kuò)散層120和120′用于分別提供氫氣和氧氣給催化劑層110和110’，以幫助形成催化劑-電解液膜-氣體的三相界面。在一個(gè)實(shí)施方案中，氣體擴(kuò)散層120將120’中至少一層是由炭紙或炭布制成的。
在催化劑層110和110’與氣體擴(kuò)散層120和120’之間，還可以進(jìn)一步包括微孔層(MPL)，以幫助氫氣和氧氣的擴(kuò)散。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的這一實(shí)施方案的膜電極組件(MEA)10’的截面示意圖。與前述實(shí)施方案類似，MEA 10’包括聚合物電解液膜100，催化劑層210和210’，及氣體擴(kuò)散層220和220’，所不同的是，其包括介于催化劑層210和210’與氣體擴(kuò)散層220和220’之間的微孔層(MPL)221和221’。
在一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)微孔層221和221’均為其中形成有幾微米或更小的微孔的碳層，并且優(yōu)選其包含選自下列的材料石墨，碳納米管(CNT)，富勒烯(C60)，活性碳，碳黑，及其組合。
任一實(shí)施方案的催化劑層的催化劑均可以直接涂布催化劑的組合物，且這種催化劑層因其大表面積而具有優(yōu)異的性能。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的示意圖，圖5是包含根據(jù)本發(fā)明的聚合物電解液膜(例如，圖1的聚合物電解液膜100)的發(fā)電單元1的局部透視圖。
參照?qǐng)D4和5，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括用于提供燃料(包括氫)的燃料供給單元2，用于提供氧化劑的氧化劑(如空氣中所含的氧)供給單元3，以及通過(guò)燃料與氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電力的發(fā)電單元1。
此外，本發(fā)明的發(fā)電單元1包括至少一個(gè)單元電池30，其包括膜電極組件10和隔板20，所述膜電極組件10包括聚合物電解液膜100，以及布置在聚合物電解液膜100任意一側(cè)的陽(yáng)極和陰極。膜電極組件10介于隔板20之間，且膜電極組件10的聚合物電解液膜100包括質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜101，以及涂布在質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜101任意一側(cè)的質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維102。
根據(jù)本發(fā)明的制備膜電極組件的方法包括將質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維涂布在質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜任意一側(cè)，以制備燃料電池之聚合物電解液膜的步驟；將催化劑沉積在上述聚合物電解液膜任意一側(cè)，以形成催化劑層的步驟；及將氣體擴(kuò)散層步驟在催化劑層上的步驟。
在一個(gè)實(shí)施方案中，用于制備膜電極組件的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜包括作為燃料電池電解液膜材料而常用的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物。這種質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物的示例性材料包括全氟-基聚合物，苯并咪唑-基聚合物，聚酰亞胺-基聚合物，聚醚酰亞胺-基聚合物，聚苯硫醚-基聚合物，聚砜-基聚合物，聚醚砜-基聚合物，聚醚酮-基聚合物，聚醚-醚酮-基聚合物，聚苯基喹喔啉-基聚合物，及其組合。優(yōu)選的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物包括聚(全氟磺酸)，聚(全氟羧酸)，包含磺酸基的氟乙烯基醚與四氟乙烯的共聚物，脫氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，聚(2，5-苯并咪唑)，及其組合。然而，根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池的聚合物電解液膜中所包含的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜并不限于這些材料。
在一個(gè)實(shí)施方案中，用于制備上述膜電極組件的質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維包括質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物。質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維的示例性材料包括全氟-基聚合物，苯并咪唑-基聚合物，聚酰亞胺-基聚合物，聚醚酰亞胺-基聚合物，聚苯硫醚-基聚合物，聚砜-基聚合物，聚醚砜-基聚合物，聚醚酮-基聚合物，聚醚-醚酮-基聚合物，聚苯基喹喔啉-基聚合物，及其組合。優(yōu)選的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物包括聚(全氟磺酸)，聚(全氟羧酸)，包含磺酸基的氟乙烯基醚與四氟乙烯的共聚物，脫氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，聚(2，5-苯并咪唑)，及其組合。然而，用于制備本發(fā)明的膜電極組件的質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維材料并不限于這些。
上述質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維可以通過(guò)電旋涂法涂布在質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜的任意一側(cè)。電旋涂法是在接地的收集屏與質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物熔體或質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物溶液之間施加大的電勢(shì)差的技術(shù)。通過(guò)電旋涂法制得無(wú)紡墊，且通過(guò)該方法制備的微纖維具有非常大的表面積。更具體地，電旋涂法可以根據(jù)文獻(xiàn)Applied Chemistry，Vol.2，No.2，1998來(lái)實(shí)現(xiàn)，該文獻(xiàn)全文引入本文作為參考。然而，本發(fā)明的范圍并不限于上述的電旋涂法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明了，該方法可以被其它適宜的方法所替換。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，施加在質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物熔體或質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物溶液上的電壓為1～1000kV，優(yōu)選為5～25kV。
通過(guò)沉積在聚合物電解液膜任意一側(cè)來(lái)涂布催化劑，以形成催化劑層。在一個(gè)實(shí)施方案中，催化劑層中所含催化劑的含量為0.001～0.5mg/cm2，優(yōu)選為0.01～0.05mg/cm2。
適于沉積催化劑的沉積方法包括濺射，熱化學(xué)氣相沉積(CVD)，等離子體增強(qiáng)的CVD(PECVD)，熱蒸發(fā)，電化學(xué)沉積，及電子束蒸發(fā)法。
在一個(gè)實(shí)施方案中，催化劑層包括選自下列的材料鉑，釕，鋨，鉑-釕合金，鉑-鋨合金，鉑-鈀合金，鉑-M合金(這里M為選自下列中的至少一種過(guò)渡金屬Ga，Ti，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu，及Zn)，及其組合。優(yōu)選的催化劑包括鉑，釕，鋨，鉑-釕合金，鉑-鋨合金，鉑-鈀合金，鉑-鈷合金，鉑-鎳合金，及其組合。
氣體擴(kuò)散層布置在催化劑層上。氣體擴(kuò)散層的作用是將氫氣和/或氧氣充沛地提供給催化劑層，以幫助形成催化劑-電解液膜-氣體的三相界面，其在一個(gè)實(shí)施方案中是由炭紙或炭布制成的。
在催化劑層與氣體擴(kuò)散層之間還可以額外地布置微孔層，以幫助氫氣和/或氧氣的擴(kuò)散。
在一個(gè)實(shí)施方案中，微孔層為其中形成有微孔的碳層，并優(yōu)選包括選自下列的材料石墨，碳納米管(CNT)，富勒烯(C60)，活性碳，碳黑，及其組合。
考慮到前述內(nèi)容，本發(fā)明的膜電極組件包括通過(guò)直接沉積催化劑而涂布的催化劑層，且該催化劑層因其表面積大而具有優(yōu)異的性能，從而使膜電極組件的性能得到提高。
下面的實(shí)施例更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1(聚合物電解液膜的制備)在具有噴嘴的室中，待將聚(全氟磺酸)膜(DuPont有限公司Nafion112)設(shè)置在接地收集屏之后，將聚(全氟磺酸)溶液(DuPont有限公司Nafion溶液)放在噴嘴中，并向溶液施加50kV的電壓。當(dāng)溶液通過(guò)電勢(shì)差從噴嘴中釋放時(shí)，平均直徑為0.1μm的聚(全氟磺酸)微纖維就涂布在聚(全氟磺酸)膜(Nafion112，Dupont)的一側(cè)。
按相同的方法，將聚(全氟磺酸)微纖維涂布在聚(全氟磺酸)膜(Nafion112，Dupont)的另一側(cè)，制得聚合物電解液膜。圖6是根據(jù)上述方法制備的聚合物電解液膜的表面的掃描電子顯微鏡照片。
實(shí)施例2(膜電極組件的制備)通過(guò)濺射法，將鉑沉積在根據(jù)實(shí)施例1制備的聚合物電解液膜的任意一側(cè)。形成具有0.04mg/cm2的鉑的催化劑層。
此外，將覆有活性碳制成的微孔層的炭布，布置在各催化劑層上，制得膜電極組件。
實(shí)施例3(燃料電池的制備)將隔板布置在根據(jù)實(shí)施例2制備的膜電極組件的任意一側(cè)，制得燃料電池。
對(duì)比例1(膜電極組件的制備)通過(guò)濺射法，將鉑沉積在聚合物電解液膜的任意一側(cè)，形成具有0.04mg/cm2的鉑的催化劑層，但沒有在聚(全氟磺酸)膜(Nafion112)上涂布微纖維。按與實(shí)施例2基本相同的方式，將沉積了鉑的聚(全氟磺酸)膜放置在兩片炭布之間，該炭布覆有由活性碳構(gòu)成的微孔層，制得膜電極組件。
對(duì)比例2(燃料電池的制備)將隔板堆疊在根據(jù)對(duì)比例1制備的膜電極組件的任意一側(cè)，制得燃料電池。
表1示出了根據(jù)實(shí)施例2和對(duì)比例1的膜電極組件制備中，催化劑層的比表面積。
表1
如表1所示，在根據(jù)實(shí)施例2制備的膜電極組件中，催化劑層的比表面積比對(duì)比例1的高8倍。
表2示出了，在水蒸汽飽和的氧和氫氣分別注入根據(jù)實(shí)施例3和對(duì)比例2制備的燃料電池的陰極和陽(yáng)極之后，在60℃下測(cè)量的電流密度。
表2
如表2所示，包括本發(fā)明膜電極組件的實(shí)施例2的燃料電池的電流密度，比對(duì)比例2的高6倍。
如上所述，由于催化劑通過(guò)沉積直接涂布在本發(fā)明之膜電極組件中具有高比表面積的燃料電池聚合物電解液膜的任意一側(cè)，所以催化劑的比表面積高，因而可以提高燃料電池的性能。
盡管已經(jīng)結(jié)合其一些示例性的實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于所公開的實(shí)施方案，相反，本發(fā)明包括所附權(quán)利要求書及其等價(jià)物的構(gòu)思和范圍中所包含的各種修改。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的聚合物電解液膜，包括質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜；及涂布在所述聚合物膜任意一側(cè)的質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于燃料電池的聚合物電解液膜，其中所述質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜包含選自下列的材料全氟-基聚合物，苯并咪唑-基聚合物，聚酰亞胺-基聚合物，聚醚酰亞胺-基聚合物，聚苯硫醚-基聚合物，聚砜-基聚合物，聚醚砜-基聚合物，聚醚酮-基聚合物，聚醚-醚酮-基聚合物，聚苯基喹喔啉-基聚合物，及其組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的用于燃料電池的聚合物電解液膜，其中所述質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜包括選自下列的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物聚(全氟磺酸)，聚(全氟羧酸)，包含磺酸基的氟乙烯基醚與四氟乙烯的共聚物，脫氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，聚(2，5-苯并咪唑)，及其組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的用于燃料電池的聚合物電解液膜，其中所述質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維的平均直徑為0.01～5μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的用于燃料電池的聚合物電解液膜，其中所述質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維是通過(guò)電旋涂法涂布的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的用于燃料電池的聚合物電解液膜，其中所述質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維包括選自下列的材料全氟-基聚合物，苯并咪唑-基聚合物，聚酰亞胺-基聚合物，聚醚酰亞胺-基聚合物，聚苯硫醚-基聚合物，聚砜-基聚合物，聚醚砜-基聚合物，聚醚酮-基聚合物，聚醚-醚酮-基聚合物，聚苯基喹喔啉-基聚合物，及其組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的用于燃料電池的聚合物電解液膜，其中所述質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維包括選自下列的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物聚(全氟磺酸)，聚(全氟羧酸)，包含磺酸基的氟乙烯基醚與四氟乙烯的共聚物，脫氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，聚(2，5-苯并咪唑)，及其組合。
8.一種膜電極組件，包括用于燃料電池的聚合物電解液膜，其具有質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜和涂布在該聚合物膜任意一側(cè)的質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維；涂布在所述聚合物電解液膜任意一側(cè)的催化劑層；及布置在催化劑層上的氣體擴(kuò)散層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的膜電極組件，其中所述催化劑層包含用量為0.001～0.5mg/cm2的催化劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的膜電極組件，其中所述催化劑層包含比表面積為10～500m2/g的催化劑。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的膜電極組件，其中所述催化劑層包含選自下列的材料鉑，釕，鋨，鉑-釕合金，鉑-鋨合金，鉑-鈀合金，及鉑-M合金，這里M為選自下列的過(guò)渡金屬Ga，Ti，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu，Zn，及其組合。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的膜電極組件，其中所述氣體擴(kuò)散層包含選自下列的材料炭紙和炭布。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的膜電極組件，進(jìn)一步包括介于催化劑層與氣體擴(kuò)散層之間的微孔層(MPL)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的膜電極組件，其中所述MPL包含選自下列的材料石墨，碳納米管(CNT)，富勒烯(C60)，活性碳，碳黑，及其組合。
15.一種燃料電池系統(tǒng)，包括發(fā)電單元，其包括隔板和隔板之間的膜電極組件，該膜電極組件包括陽(yáng)極和陰極以及介于該陰極和陽(yáng)極之間的聚合物電解液膜；用于向發(fā)電單元提供燃料的燃料供給單元；及用于向發(fā)電單元提供氧化劑的氧化劑供給單元，其中所述聚合物電解液膜包括質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜，及涂布在聚合物膜任意一側(cè)的質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維。
16.一種制備膜電極組件的方法，包括用質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維涂布質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜，制得用于燃料電池的聚合物電解液膜；在聚合物電解液膜的任意一側(cè)沉積催化劑，以形成催化劑層；及在催化劑層上布置氣體擴(kuò)散層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的制備膜電極組件的方法，其中所述質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜包括選自下列的材料全氟-基聚合物，苯并咪唑-基聚合物，聚酰亞胺-基聚合物，聚醚酰亞胺-基聚合物，聚苯硫醚-基聚合物，聚砜-基聚合物，聚醚砜-基聚合物，聚醚酮-基聚合物，聚醚-醚酮-基聚合物，聚苯基喹喔啉-基聚合物，及其組合。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的制備膜電極組件的方法，其中所述質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜包括選自下列的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物聚(全氟磺酸)，聚(全氟羧酸)，包含磺酸基的氟乙烯基醚與四氟乙烯的共聚物，脫氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，聚(2，5-苯并咪唑)，及其組合。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的制備膜電極組件的方法，其中所述質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維包括選自下列的材料全氟-基聚合物，苯并咪唑-基聚合物，聚酰亞胺-基聚合物，聚醚酰亞胺-基聚合物，聚苯硫醚-基聚合物，聚砜-基聚合物，聚醚砜-基聚合物，聚醚酮-基聚合物，聚醚-醚酮-基聚合物，聚苯基喹喔啉-基聚合物，及其組合。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的制備膜電極組件的方法，其中所述質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維包括選自下列的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物聚(全氟磺酸)，聚(全氟羧酸)，包含磺酸基的氟乙烯基醚與四氟乙烯的共聚物，脫氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，聚(2，5-苯并咪唑)，及其組合。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的制備膜電極組件的方法，其中所述用質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維涂布質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜，是通過(guò)電旋涂法來(lái)進(jìn)行的。
22.根據(jù)權(quán)利要求16的制備膜電極組件的方法，其中所述催化劑層是利用選自下列的方法形成的濺射，熱化學(xué)氣相沉積(CVD)，等離子體增強(qiáng)的CVD(PECVD)，熱蒸發(fā)，電化學(xué)沉積，電子束蒸發(fā)，及其組合。
23.根據(jù)權(quán)利要求16的制備膜電極組件的方法，其中所述催化劑的用量為0.001～0.5mg/cm2。
24.根據(jù)權(quán)利要求16的制備膜電極組件的方法，其中所述催化劑層包含選自下列的材料鉑，釕，鋨，鉑-釕合金，鉑-鋨合金，鉑-鈀合金，鉑-M合金，及其組合，這里M為選自下列的過(guò)渡金屬Ga，Ti，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu，及Zn。
25.根據(jù)權(quán)利要求16的制備膜電極組件的方法，其中所述氣體擴(kuò)散層包含選自下列的材料炭紙和炭布。
26.根據(jù)權(quán)利要求16的制備膜電極組件的方法，進(jìn)一步包括在催化劑層與氣體擴(kuò)散層之間形成微孔層(MPL)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的制備膜電極組件的方法，其中所述MPL包含選自下列的材料石墨，碳納米管(CNT)，富勒烯(C60)，活性碳，碳黑，及其組合。
全文摘要
一種用于燃料電池的聚合物電解液膜，其包括質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜，以及涂布在質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜的任意一側(cè)的質(zhì)子傳導(dǎo)微纖維。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1724583SQ20051008101
公開日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2005年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者金熙卓, 權(quán)鎬真 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社