多重導(dǎo)電的固體電解質(zhì)膜和燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了多重導(dǎo)電的固體電解質(zhì)膜和燃料電池。多重導(dǎo)電的固體電解質(zhì)膜具備傳導(dǎo)包括質(zhì)子在內(nèi)的陽(yáng)離子、包括氫氧根離子和氧離子在內(nèi)的陰離子和電子能力中的至少兩種功能。燃料電池由具有多重導(dǎo)電功能的固體電解質(zhì)膜、陽(yáng)極、陰極、導(dǎo)電擴(kuò)散層和導(dǎo)電集流板構(gòu)成。與傳統(tǒng)的質(zhì)子交換膜燃料電池相比，本發(fā)明在膜內(nèi)生成水的通過(guò)擴(kuò)散可使膜具有自潤(rùn)濕能力，有利于簡(jiǎn)化水管理；同時(shí)至少有一個(gè)電極可以使用非貴金屬做催化劑，有可能降低燃料電池生產(chǎn)成本。此外，本發(fā)明還提供了多重導(dǎo)電的固體電解質(zhì)膜的制備方法。
【專利說(shuō)明】多重導(dǎo)電的固體電解質(zhì)膜和燃料電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多重導(dǎo)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(shù)】
[0002]燃料電池是一種不經(jīng)過(guò)燃燒，直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料和氧化劑中的化學(xué)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(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、可靠性高等特點(diǎn)，因而作為有著廣闊應(yīng)用前景的新能源技術(shù)而備受關(guān)注。
[0003]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(guò)傳導(dǎo)單一類型的離子進(jìn)行導(dǎo)電，如質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)質(zhì)子，堿性陰離子交換膜傳導(dǎo)氫氧根離子，這些膜的離子傳導(dǎo)能力對(duì)膜的含水量依賴度較高，在較高溫度(>80°C)下面臨著因失水而導(dǎo)致的離子傳導(dǎo)率急劇下降的問(wèn)題，因而使用這些膜的燃料電池必須額外配置水管理設(shè)備，增大了體積的同時(shí)，也增強(qiáng)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(méi)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(jià)格昂貴，甲醇滲透率高和不適宜高溫操作的缺點(diǎn)。因而需要研究不使用水管理設(shè)備的固體電解質(zhì)膜燃料電池和開(kāi)發(fā)相應(yīng)的高性能低價(jià)格的聚合物電解質(zhì)膜。
[0004]針對(duì)上述問(wèn)題，UnluM (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(jiǎn)單層疊，制備了雜化膜燃料電池，獲得具有自潤(rùn)濕特征的燃料電池，但由于兩種膜只是簡(jiǎn)單的層疊，界面上容易出現(xiàn)分層，不利于長(zhǎng)期使用。中國(guó)專利CN 101084364A報(bào)道的雙電解液無(wú)膜微通道燃料電池可以獲得1.93V的熱力學(xué)電勢(shì)，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(lái)了極大不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明就是針對(duì)上述問(wèn)題提出一個(gè)新的解決方案，即多重導(dǎo)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(dǎo)能力的固體電解質(zhì)膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的只能傳導(dǎo)單一類型離子的膜，如使用可以同時(shí)傳導(dǎo)質(zhì)子和氫氧根離子的膜代替質(zhì)子交換膜。
[0006]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(以優(yōu)化的使用傳導(dǎo)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(rùn)濕特性，可省卻水管理設(shè)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?xì)洳牧系木酆衔镫娊赓|(zhì)膜的開(kāi)發(fā)，可替代昂貴的Nafion膜，進(jìn)一步降低燃料電池的成本。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1為本發(fā)明中采用兼具傳導(dǎo)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。I可同時(shí)傳導(dǎo)質(zhì)子和氫氧根離子的固體電解質(zhì)膜，2負(fù)極(陽(yáng)極，燃料側(cè)電極)，3正極(陰極，氧化劑側(cè)電極)，陽(yáng)極和陰極都是含有酸性或堿性離子交換樹(shù)脂和催化劑的多孔層，4陽(yáng)極導(dǎo)電擴(kuò)散層，5陰極導(dǎo)電氣體擴(kuò)散層，6兼有流場(chǎng)和集流功能的陽(yáng)極末端擋板和兼有流場(chǎng)和7集流功能的陰極末端擋板。
【具體實(shí)施方式】[0008] 實(shí)施例1
通過(guò)將含有芳醚結(jié)構(gòu)單元的聚砜膜置于兩隔室擴(kuò)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°C反應(yīng)4.5h，清洗完成后，再放入三甲胺溶液進(jìn)行季銨化，最后再浸入IM的氫氧化鈉溶液堿化，獲得同時(shí)傳導(dǎo)質(zhì)子和氫氧根離子的固體電解質(zhì)膜。然后，將含有Nafion樹(shù)脂的炭載Pt陽(yáng)極催化層置于與三甲基氯磺酸硅反應(yīng)的膜一側(cè)，含有季銨化苯乙烯樹(shù)脂的炭載Pt陰極催化層置于與三甲基氯硅烷反應(yīng)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(rùn)濕氫氣和空氣分別輸入燃料電池陽(yáng)極側(cè)8和陰極側(cè)9，80°C下可以獲得的輸出功率峰值為421.3mW/cm2。
【權(quán)利要求】
1.一種多重導(dǎo)電的固體電解質(zhì)膜，其特征是具備傳導(dǎo)包括氫氧根離子與氧離子在內(nèi)的陰離子、包括質(zhì)子在內(nèi)的陽(yáng)離子和電子能力中的至少兩種功能。
2.—種權(quán)利要求1所述膜的制備方法，其特征在于在傳導(dǎo)質(zhì)子的多孔膜內(nèi)填充傳導(dǎo)氫氧根離子的聚合物，或在傳導(dǎo)氫氧根離子的多孔膜內(nèi)填充傳導(dǎo)質(zhì)子的聚合物，從而形成具有傳導(dǎo)質(zhì)子和氫氧根離子的雙重導(dǎo)電能力的膜。
3.—種權(quán)利要求1所述膜的制備方法，其特征在于將不含功能基團(tuán)的聚合物夾在兩隔室擴(kuò)散槽之間，兩隔室內(nèi)分別放入鹵甲基化劑和磺化劑，反應(yīng)結(jié)束后，將聚合物膜清洗干凈再依次浸入三乙胺和氫氧化鈉溶液，制備兼有傳導(dǎo)質(zhì)子和氫氧根離子的雙重導(dǎo)電能力的膜。
4.一種權(quán)利要求1所述膜的制備方法，其特征在于將不含功能基團(tuán)的聚合物夾在兩隔室擴(kuò)散槽之間，左右隔室內(nèi)先分別放入磺化劑和惰性溶液，反應(yīng)結(jié)束清洗完成后，再在左右隔室內(nèi)分別放入惰性溶液和鹵甲基化劑，反應(yīng)結(jié)束后，再次將聚合物膜清洗干凈，最后依次浸入三乙胺和氫氧化鈉溶液，制備具有傳導(dǎo)質(zhì)子和氫氧根離子的雙重導(dǎo)電能力的膜。
5.一種權(quán)利要求1所述膜的制備方法，其特征在于將含堿性基團(tuán)的聚合物與導(dǎo)質(zhì)子的粉末共混，或?qū)⒑嵝曰鶊F(tuán)的聚合物與導(dǎo)氫氧根離子的粉末共混，制備具有傳導(dǎo)質(zhì)子和氫氧根離子的雙重導(dǎo)電能力的復(fù)合膜。
6.—種權(quán)利要求1所述膜的制備方法，其特征在于將導(dǎo)氫氧根離子的粉末與導(dǎo)質(zhì)子的粉末添加粘合劑后，均勻共混，壓制成具有傳導(dǎo)質(zhì)子和氫氧根離子的雙重導(dǎo)電能力的復(fù)合膜。
7.—種權(quán)利要求1所述膜的制備方法，其特征在于采用同時(shí)含有堿性基團(tuán)和酸性基團(tuán)的聚合物制備具有傳導(dǎo)質(zhì)子和氫氧根離子的雙重導(dǎo)電能力的膜。
8.—種權(quán)利要求1所述膜的制備方法，其特征在于將傳導(dǎo)氧離子的材料填充于含PN結(jié)的多孔材料中制備具有傳導(dǎo)氧離子和單向傳導(dǎo)電子的雙重導(dǎo)電能力的膜。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求2-8的膜的燃料電池，它是以多重導(dǎo)電功能的固體電解質(zhì)膜為中心，兩側(cè)依次配置著陽(yáng)極、陰極催化劑及其支撐層、氣體擴(kuò)散層、帶流場(chǎng)的集流板和末端擋板。
10.燃料電池組，其包含權(quán)利要求9的燃料電池。
【文檔編號(hào)】H01M8/04GK103872365SQ201210527466
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月11日
【發(fā)明者】張宏偉 申請(qǐng)人:張宏偉