聚合物電解質(zhì)膜、包括聚合物電解質(zhì)膜的膜電極組合件及包括膜電極組合件的燃料電池的制作方法
【專利摘要】本說(shuō)明書(shū)提供了聚合物電解質(zhì)膜、包括所述聚合物電解質(zhì)膜的膜電極組件以及包括所述膜電極組件的燃料電池。
【專利說(shuō)明】
聚合物電解質(zhì)膜、包括聚合物電解質(zhì)膜的膜電極組合件及包括膜電極組合件的燃料電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本說(shuō)明書(shū)要求于2013年11月26日向韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的韓國(guó)專利申請(qǐng)第10_2013-0144444號(hào)的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容均通過(guò)引用并入。
[0002]本說(shuō)明書(shū)提供了聚合物電解質(zhì)膜、包括所述聚合物電解質(zhì)膜的膜電極組合件以及包括所述膜電極組合件的燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0003]燃料電池是一種高效的發(fā)電裝置，并且優(yōu)勢(shì)在于:與現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)相比由于效率高而燃料用量較低，并且其為不產(chǎn)生環(huán)境污染物(例如Sox、N0x和V0C)的無(wú)污染能源。此外，另外的優(yōu)勢(shì)在于:生產(chǎn)設(shè)施所需的位置區(qū)域較小并且施工期短。
[0004]因此，燃料電池具有多種應(yīng)用，覆蓋移動(dòng)電源(例如便攜式裝置)、運(yùn)輸工具電源(例如車輛)以及可用于家庭和電力工業(yè)的分散式發(fā)電。特別地，當(dāng)燃料電池車輛(下一代運(yùn)輸裝置)的運(yùn)行商業(yè)化時(shí)，預(yù)期潛在的市場(chǎng)規(guī)模是廣泛的。
[0005]燃料電池根據(jù)工作溫度和電解質(zhì)大體分為5種類型，其具體包括堿性燃料電池(alkali fuel cell，AFC)、磷酸燃料電池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)、恪融碳酸鹽燃料電池(molten carbonate fuel cell，MCFC)、固體氧化物燃料電池(solid oxidefuel cell，S0FC)、聚電解質(zhì)燃料電池(polyelectrolyte fuel cell，PEMFC)和直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell，DMFC)。其中，具有優(yōu)異迀移率的聚合物電解質(zhì)燃料電池和直接甲醇燃料電池作為未來(lái)電源已受到廣泛關(guān)注。
[0006]聚合物電解質(zhì)燃料電池具有這樣的基本原理:在聚合物電解質(zhì)膜的兩個(gè)表面上布置氣體擴(kuò)散電極層，通過(guò)使陽(yáng)極朝向燃料電極和使陰極朝向氧化電極經(jīng)由通過(guò)聚合物電解質(zhì)膜的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生水，并且由此產(chǎn)生的反應(yīng)能被轉(zhuǎn)化為電能。
[0007]離子傳導(dǎo)聚合物電解質(zhì)膜的典型實(shí)例可包括Naf1n，其為由Dupont USA于20世紀(jì)60年代早期開(kāi)發(fā)的全氟化氫離子交換膜。除Naf1n之外的類似商業(yè)化全氟化聚合物電解質(zhì)膜包括由Asahi Kasei Chemicals Corporat1n制造的Aciplex-S膜、由Dow ChemicalCompany制造的Dow膜、由Asahi Glass C0.，Ltd.制造的Flem1n膜，等。
[0008]現(xiàn)有的商業(yè)化全氟化聚合物電解質(zhì)膜具有抗化學(xué)性、抗氧化性和優(yōu)異的離子傳導(dǎo)性，但是具有高成本的問(wèn)題并且由于在制造期間產(chǎn)生的中間體的毒性而導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題。因此，已研究了其中向芳環(huán)聚合物引入羧基、磺酸基團(tuán)等的聚合物電解質(zhì)膜以補(bǔ)償此類全氟化聚合物電解質(zhì)膜的弱點(diǎn)。其實(shí)例包括磺化聚芳基醚砜[Journal of Membrane Science，1993，83，211 ]、磺化聚醚醚酮[日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開(kāi)第H06-93114號(hào)、美國(guó)專利第5，438，082號(hào)]、磺化聚酰亞胺[美國(guó)專利第6，245，881號(hào)]等。
[0009]聚合物電解質(zhì)膜根據(jù)水合的溫度和程度伴隨著膜厚度和體積之15%至30%的變化，因此該電解質(zhì)膜根據(jù)燃料電池的工作條件而重復(fù)膨脹和收縮，并且由于這樣的體積變化而出現(xiàn)微孔或裂縫。另外，作為副反應(yīng)，由陰極中氧的還原反應(yīng)生成過(guò)氧化氫(H2O2)或過(guò)氧化物自由基，其可導(dǎo)致電解質(zhì)膜的降解?；诳稍谌剂想姵毓ぷ髌陂g發(fā)生的此現(xiàn)象，已在提高機(jī)械和化學(xué)耐用性的方向上開(kāi)發(fā)了用于燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜。
[0010]針對(duì)提高機(jī)械耐用性已進(jìn)行的研究包括通過(guò)向e-PTFE引入Naf 1n溶液(5重量0A濃度)而制備的強(qiáng)化型復(fù)合電解質(zhì)膜(美國(guó)專利第5，547，551號(hào))，和向磺化烴基聚合物材料引入具有優(yōu)異尺寸穩(wěn)定性的聚合物的聚合物共混型復(fù)合膜(韓國(guó)專利第10-0746339號(hào))，等。另外，L.Gore&Associates推出了以商標(biāo)名Gore SeIect商業(yè)化的強(qiáng)化型復(fù)合電解質(zhì)膜產(chǎn)品。
[0011]在強(qiáng)化型復(fù)合電解質(zhì)膜中，使用了多孔支撐體以提供機(jī)械特性和尺寸穩(wěn)定性。多孔支撐體需要維持機(jī)械耐用性而不降低性能，因此需要選擇具有高孔隙率和優(yōu)異機(jī)械特性的由合適材料制成的支撐體。另外，膜的離子傳導(dǎo)性可根據(jù)將離子導(dǎo)體浸入到支撐體中的方法以及離子導(dǎo)體的類型而極大不同，因此需要開(kāi)發(fā)浸漬離子導(dǎo)體的有效方法和適用于強(qiáng)化型復(fù)合電解質(zhì)膜的離子導(dǎo)體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]技術(shù)問(wèn)題
[0013]本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)目的是提供聚合物電解質(zhì)膜，并且另外提供包括所述聚合物電解質(zhì)膜的膜電極組合件及包括所述膜電極組合件的燃料電池。
[0014]技術(shù)方案
[0015]本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案提供了包括混合層的聚合物電解質(zhì)膜，所述混合層包括離子迀移區(qū)和具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的支撐體，其中所述離子迀移區(qū)具有其中兩個(gè)或更多個(gè)含有第一離子傳導(dǎo)聚合物的單元三維地鄰接的結(jié)構(gòu)，并且所述第一離子傳導(dǎo)聚合物的離子交換容量(IEC)大于或等于1.7meq/g且小于或等于2.5meq/g。
[0016]本說(shuō)明書(shū)的另一個(gè)實(shí)施方案提供了包括所述聚合物電解質(zhì)膜的膜電極組合件。
[0017]本說(shuō)明書(shū)的又一個(gè)實(shí)施方案提供了包括所述膜電極組合件的燃料電池。
[0018]有益效果
[0019]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)一個(gè)實(shí)施方案的聚合物電解質(zhì)膜具有優(yōu)異耐用性的優(yōu)勢(shì)。特別地，在燃料電池中使用包括根據(jù)本說(shuō)明書(shū)一個(gè)實(shí)施方案的聚合物電解質(zhì)膜的膜電極組合件可有助于燃料電池的性能增強(qiáng)。換言之，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)一個(gè)實(shí)施方案的聚合物電解質(zhì)膜使燃料電池的性能下降最小化，并且使得燃料電池甚至在以下工作環(huán)境中仍維持穩(wěn)定性能:燃料電池重復(fù)高溫增濕和干燥從而導(dǎo)致聚合物電解質(zhì)膜重復(fù)收縮和膨脹。
[0020]另外，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的聚合物電解質(zhì)膜具有高離子傳導(dǎo)性，同時(shí)具有優(yōu)異的耐用性。換言之，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的聚合物電解質(zhì)膜使由包括支撐體而導(dǎo)致的離子傳導(dǎo)性降低最小化，并且與無(wú)支撐體的情況相比具有同等水平的離子傳導(dǎo)性。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1和2為示出了根據(jù)本說(shuō)明書(shū)一個(gè)實(shí)施方案之聚合物電解質(zhì)膜的表面的一個(gè)區(qū)域的圖。
[0022]圖3為示出了根據(jù)本說(shuō)明書(shū)一個(gè)實(shí)施方案之聚合物電解質(zhì)膜的截面的一個(gè)區(qū)域的圖。
[0023]圖4為示出了根據(jù)本說(shuō)明書(shū)一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池的結(jié)構(gòu)的圖。
[0024]圖5示出了根據(jù)實(shí)施例和比較例之聚合物電解質(zhì)膜在100%相對(duì)濕度(RH)條件下取決于燃料電池中的電流密度的電壓。
[0025]圖6示出了根據(jù)實(shí)施例和比較例之聚合物電解質(zhì)膜在50%相對(duì)濕度(RH)條件下取決于燃料電池中的電流密度的電壓。
[0026]圖7示出了根據(jù)實(shí)施例和比較例之聚合物電解質(zhì)膜在32%相對(duì)濕度(RH)條件下取決于燃料電池中的電流密度的電壓。
【具體實(shí)施方式】
[0027]在本說(shuō)明書(shū)中，將一個(gè)構(gòu)件放置于另一構(gòu)件“之上”的描述不僅包括這個(gè)構(gòu)件與該另一構(gòu)件鄰接的情況，而且包括這兩個(gè)構(gòu)件之間存在又一構(gòu)件的情況。
[0028]除非有具體相反說(shuō)明，否則在本說(shuō)明書(shū)中，某一部分“包括”某些構(gòu)成部分的描述意指能夠還包括其他構(gòu)成部分，并且不排除其他構(gòu)成部分。
[0029]在下文，將更詳細(xì)地描述本說(shuō)明書(shū)。
[0030]本說(shuō)明書(shū)提供了包括混合層的聚合物電解質(zhì)膜，所述混合層包括離子迀移區(qū)和具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的支撐體，其中所述離子迀移區(qū)具有其中兩個(gè)或更多個(gè)含有第一離子傳導(dǎo)聚合物的單元三維地鄰接的結(jié)構(gòu)，并且所述第一離子傳導(dǎo)聚合物的離子交換容量(IEC)大于或等于1.7meq/g且小于或等于2.5meq/g。
[0031]所述第一離子傳導(dǎo)聚合物包含在離子迀移區(qū)中且由于高離子傳導(dǎo)性而能夠?qū)崿F(xiàn)混合層中的平穩(wěn)離子迀移，并且能夠增強(qiáng)聚合物電解質(zhì)膜的性能。
[0032]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述混合層可通過(guò)將支撐體浸漬于第一傳導(dǎo)聚合物中來(lái)形成。特別地，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，當(dāng)包含至多至支撐體的厚度范圍的第一離子傳導(dǎo)聚合物時(shí)，可形成無(wú)附加純層的聚合物電解質(zhì)膜。另外，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，當(dāng)包含超過(guò)支撐體的厚度范圍的第一離子傳導(dǎo)聚合物時(shí)，可制備在混合層的上表面和/或下表面上具有附加純層的聚合物電解質(zhì)膜。
[0033]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜包括含有第二離子傳導(dǎo)聚合物的純層，其設(shè)置在混合層的上表面或者下表面或者上表面和下表面二者上，并且所述第二離子傳導(dǎo)聚合物的離子交換容量(IEC)可低于第一離子傳導(dǎo)聚合物的離子交換容量(IEC)0
[0034]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述純層可設(shè)置成鄰接于混合層的上表面和/或下表面之上，或者設(shè)置在附加純層上。
[0035]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述第二離子傳導(dǎo)聚合物的離子交換容量(IEC)可以比第一離子傳導(dǎo)聚合物的離子交換容量(IECMg0.2meq/g或更多。
[0036]所述第二離子傳導(dǎo)聚合物設(shè)置在混合層的至少一個(gè)表面上，并且可執(zhí)行防止混合層中包含的第一離子傳導(dǎo)聚合物洗脫的作用。特別地，當(dāng)在燃料電池中使用所述聚合物電解質(zhì)膜時(shí)，所述第一離子傳導(dǎo)聚合物可由于濕氣而洗脫并且所述第二離子傳導(dǎo)聚合物可執(zhí)行防止由濕氣引起的第一離子傳導(dǎo)聚合物洗脫的作用。
[0037]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述第二離子傳導(dǎo)聚合物的離子交換容量(IEC)可大于或等于0.9meq/g且小于或等于1.8meq/g。
[0038]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述純層還可包括含有第一離子傳導(dǎo)聚合物的附加純層，其設(shè)置成鄰接混合層。
[0039]所述附加純層可通過(guò)與離子迀移區(qū)中包含的第一離子傳導(dǎo)聚合物相同的聚合物來(lái)提供，所述附加純層鄰接混合層的上部或者下部或者上部和下部二者。特別地，所述附加純層可通過(guò)將支撐體浸漬到第一離子傳導(dǎo)聚合物中并且第一離子傳導(dǎo)聚合物保留在混合層的上表面和/或下表面上來(lái)形成。
[0040]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的聚合物電解質(zhì)膜具有高離子傳導(dǎo)性，同時(shí)具有優(yōu)異的耐用性。特別地，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的聚合物電解質(zhì)膜使由包括支撐體而導(dǎo)致的離子傳導(dǎo)性降低最小化，并且與無(wú)支撐體的情況相比具有同等的離子傳導(dǎo)性水平。因此，包括根據(jù)本說(shuō)明書(shū)之聚合物電解質(zhì)膜的燃料電池使由于長(zhǎng)期工作而發(fā)生的電解質(zhì)膜損壞最小化，并且另外能夠表現(xiàn)出高性能。
[0041]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述混合層的厚度可大于或等于Ιμπι且小于或等于 30μηι。
[0042]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述混合層的厚度可大于或等于Ιμπι且小于或等于25ym0
[0043]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述混合層的厚度可大于或等于Ιμπι且小于或等于 15μηι ο
[0044]當(dāng)根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的混合層的厚度大于或等于Ιμπι且小于或等于30μπι時(shí)，可獲得高離子傳導(dǎo)性和耐用性。另外，當(dāng)所述混合層的厚度在上述范圍之內(nèi)時(shí)，可幾乎不會(huì)發(fā)生由厚度減小引起的耐用性下降。換言之，當(dāng)所述混合層的厚度小于Iym時(shí)，存在不能維持耐用性的缺點(diǎn)，并且當(dāng)所述厚度大于30μπι時(shí)，存在離子傳導(dǎo)性可降低的缺點(diǎn)。
[0045]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜可形成為僅具有混合層。
[0046]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，設(shè)置在混合層之任一表面上的純層的厚度可各自獨(dú)立地大于Oym且小于或等于6μηι。
[0047]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述附加純層的厚度可大于Ομπι且小于或等于5μmD
[0048]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述純層的厚度可包括附加純層的厚度。
[0049]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，各自設(shè)置在混合層之上表面和下表面上的純層之間的厚度差可為混合層之厚度的50%或更小。特別地，設(shè)置在混合層之上表面和下表面上的純層之間的厚度差可為混合層之厚度的30%或更小。根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，純層之間的厚度差為0%意指各自設(shè)置在混合層之上表面和下表面上的純層的厚度相同。
[0050]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，當(dāng)設(shè)置在混合層之上表面上的純層和設(shè)置在混合層之下表面上的純層之間的厚度差為混合層之厚度的50%或更小時(shí)，甚至在重復(fù)聚合物電解質(zhì)膜的增濕和干燥時(shí)聚合物電解質(zhì)膜之上表面和上表面的收縮和膨脹程度也變得近似，并且可防止出現(xiàn)裂縫。
[0051]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，混合層和全部純層之間的厚度比可為1:0至1:4。特別地，混合層和全部純層之間的厚度比可為1:0至1:1.5。更特別地，混合層和全部純層之間的厚度比可為1: O至1:1。
[0052]隨著混合層相對(duì)于純層的厚度比的增加，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)一個(gè)實(shí)施方案的聚合物電解質(zhì)膜能夠在重復(fù)增濕和干燥狀態(tài)的條件下表現(xiàn)出高耐用性。
[0053]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，聚合物電解質(zhì)膜的總厚度可大于或等于3μπι且小于或等于36μηι。
[0054]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，相對(duì)于混合層的總體積，離子迀移區(qū)可大于或等于按體積計(jì)40%且小于或等于按體積計(jì)85%。
[0055]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，相對(duì)于離子迀移區(qū)和支撐體的總體積，離子迀移區(qū)可大于或等于按體積計(jì)40%且小于或等于按體積計(jì)80%。
[0056]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，相對(duì)于混合層的總體積，離子迀移區(qū)可大于或等于按體積計(jì)40%且小于或等于按體積計(jì)70%。
[0057]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，相對(duì)于混合層的總體積，離子迀移區(qū)可大于或等于按體積計(jì)40%且小于或等于按體積計(jì)60%。
[0058]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，相對(duì)于混合層的總體積，離子迀移區(qū)可大于或等于按體積計(jì)40%且小于或等于按體積計(jì)55%。
[0059]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，相對(duì)于混合層的總體積，離子迀移區(qū)可大于或等于按體積計(jì)45%且小于或等于按體積計(jì)65%。
[0060]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，相對(duì)于混合層的總體積，離子迀移區(qū)可大于或等于按體積計(jì)45%且小于或等于按體積計(jì)60%。
[0061]當(dāng)根據(jù)本說(shuō)明書(shū)之聚合物電解質(zhì)膜的離子迀移區(qū)大于或等于按體積計(jì)40%且小于或等于按體積計(jì)85%時(shí)，可確保足夠的離子傳導(dǎo)性，同時(shí)確保聚合物電解質(zhì)膜的耐用性。換言之，當(dāng)離子迀移區(qū)小于按體積計(jì)40%時(shí)，聚合物電解質(zhì)膜的耐用性增強(qiáng)，但是存在難以確保足夠離子傳導(dǎo)性的缺點(diǎn)。此外，當(dāng)離子迀移區(qū)大于按體積計(jì)85 %時(shí)，聚合物電解質(zhì)膜的離子傳導(dǎo)性增加，但存在難以確保耐用性的缺點(diǎn)。
[0062]圖1和2為示出了根據(jù)本說(shuō)明書(shū)一個(gè)實(shí)施方案之聚合物電解質(zhì)膜的表面的一個(gè)區(qū)域的圖。特別地，圖1為示出了本說(shuō)明書(shū)之聚合物電解質(zhì)膜的水平表面的一個(gè)區(qū)域的圖，并且圖2為示出了本說(shuō)明書(shū)之聚合物電解質(zhì)膜的垂直表面的一個(gè)區(qū)域的圖。此外，以暗區(qū)表示的區(qū)域意指支撐體，并且明區(qū)意指離子迀移區(qū)。
[0063]垂直表面可意指聚合物電解質(zhì)膜的厚度方向的表面。另外，水平表面為垂直于聚合物電解質(zhì)膜的厚度方向的表面，并且可意指占據(jù)相對(duì)大面積的表面。
[0064]在圖1和圖2中，離子迀移區(qū)可意指單元截面，并且三維地鄰接所示單元的單元存在于聚合物電解質(zhì)膜的內(nèi)部。
[0065]本說(shuō)明書(shū)的單元可具有球形形狀、壓縮球形狀或多面體形狀，并且當(dāng)所述單元具有球形形狀時(shí)，單元截面可具有縱橫比為1:1至5:1的閉合輪廓。
[0066]當(dāng)支撐體的節(jié)點(diǎn)和連接節(jié)點(diǎn)的纖維分支在本說(shuō)明書(shū)的單元中連接時(shí)，所述單元可意指被形成的虛擬平面包圍的虛擬三維閉合空間。節(jié)點(diǎn)可意指兩個(gè)或更多個(gè)纖維分支相交的位點(diǎn)。
[0067]圖3為示出了根據(jù)本說(shuō)明書(shū)一個(gè)實(shí)施方案之聚合物電解質(zhì)膜的截面的一個(gè)區(qū)域的圖。特別地，圖3中的點(diǎn)狀區(qū)域?yàn)樘摂M線，并且來(lái)分割虛擬的三維閉合空間。以暗區(qū)表示的區(qū)域?yàn)橹误w的纖維分支或節(jié)點(diǎn)，并且這些三維地連接。
[0068]另外，本發(fā)明的單元為由支撐體的纖維分支包圍的含有離子傳導(dǎo)聚合物的離子迀移區(qū)的單位空間，并且當(dāng)被支撐體的纖維包圍時(shí)，虛擬三維閉合空間的水平和垂直方向截面可具有圓形、橢圓或簡(jiǎn)單閉合曲線的輪廓。
[0069]另外，本說(shuō)明書(shū)的單元意指具有一定尺寸或更大的體積，并且直徑小于40nm的單元不能視為所述單元。
[0070]本說(shuō)明書(shū)中單元的直徑可意指橫跨該單元的最長(zhǎng)線的長(zhǎng)度。
[0071]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，在與聚合物電解質(zhì)膜的上表面水平的任意表面上，所述單元可沿聚合物電解質(zhì)膜的任一方向(X軸方向)、與其垂直的方向(y軸方向)和厚度方向(Z軸方向)以兩個(gè)或更多個(gè)層層合。
[0072]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述支撐體可具有其中分布有兩個(gè)或更多個(gè)單元的海綿結(jié)構(gòu)。
[0073]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述支撐體可具有其中規(guī)則地分布有單元的結(jié)構(gòu)。特別地，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述支撐體基于任意單位體積可具有10%或更小的孔隙率變化。
[0074]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，兩個(gè)或更多個(gè)單元的截面可包括在聚合物電解質(zhì)膜的垂直截面和水平截面二者中。
[0075]本說(shuō)明書(shū)的單元截面的直徑可意指橫跨單元截面的最長(zhǎng)線的長(zhǎng)度。
[0076]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，在聚合物電解質(zhì)膜的水平表面上的單元截面可具有1:1至5:1的縱橫比。
[0077]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，在聚合物電解質(zhì)膜的垂直表面上的單元截面可具有1:1至10:1的縱橫比。
[0078]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，在聚合物電解質(zhì)膜的水平表面上的單元截面的直徑尺寸可大于或等于40nm且小于或等于500nmo
[0079]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，在聚合物電解質(zhì)膜的垂直表面上的單元截面的直徑尺寸可大于或等于40nm且小于或等于500nmo
[0080]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，聚合物電解質(zhì)膜的每lOOymm2水平表面與垂直表面的單元數(shù)之比可為1:1至1:5。
[0081]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，每10ymm2聚合物電解質(zhì)膜在垂直截面和水平截面上的單元數(shù)的變化可大于或等于O且小于或等于500。
[0082]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，單元截面的平均直徑尺寸可大于或等于40nm且小于或等于500nmo
[0083]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，單元截面的直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差可為50nm至200nmo
[0084]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，單元直徑可大于或等于40nm且小于或等于100nm0
[0085]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，在聚合物電解質(zhì)膜的任意截面中，單元截面均可占據(jù)總截面面積的50%至90%。
[0086]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述支撐體形成為具有兩個(gè)或更多個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)可包括三個(gè)或更多個(gè)分支。
[0087]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，支撐體的任一節(jié)點(diǎn)和另一相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離可為 10]11]1至50011111。
[0088]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，從單元中心到支撐體的任意點(diǎn)的長(zhǎng)度可為20nm至500nmo
[0089]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述離子迀移區(qū)在離子迀移期間可每Ιμπι包括3個(gè)或更多個(gè)拐點(diǎn)。所述拐點(diǎn)可以是曲折因子，并且可通過(guò)每Iym 3個(gè)或更多個(gè)曲折因子來(lái)表不O
[0090]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述支撐體可包含烴基或氟基材料。
[0091]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述支撐體可包含半結(jié)晶聚合物。
[0092]本說(shuō)明書(shū)的半結(jié)晶聚合物的結(jié)晶度范圍可為20%至80 %。
[0093]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述半結(jié)晶聚合物可包括聚烯烴、碳氟化合物、聚酰胺、聚酯、聚縮醛(或聚甲醛)、聚硫化物、聚乙烯醇、其共聚物及其組合，但不限于此。
[0094]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述支撐體可包含源自聚烯烴基材料的那些。
[0095]聚烯烴可包括聚乙烯(LDPE、LLDPE、HDPE、UHMffPE )、聚丙烯、聚丁烯、聚甲基戊烯、其共聚物及其共混物。
[0096]碳氟化合物可包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)、乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、全氟烷氧基(PFA)樹(shù)脂、其共聚物及其共混物，但不限于此。
[0097]聚酰胺可包括聚酰胺6、聚酰胺6/6、尼龍10/10、聚酞酰胺(PPA)、其共聚物及其共混物，但不限于此。
[0098]聚酯可包括聚對(duì)苯二甲酸酯(PET)、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚對(duì)苯二甲酸I，4_亞環(huán)己基二甲醇酯(PCT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和液晶聚合物(LCP)，但不限于此。
[00"] 聚硫化物包括聚苯硫醚、聚乙稀硫醚(polyethylene sulf ide)、其共聚物及其共混物，但不限于此。
[0100]聚乙烯醇包括乙烯-乙烯醇聚合物、其共聚物及其共混物，但不限于此。
[0101]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述離子傳導(dǎo)聚合物可包括陽(yáng)離子傳導(dǎo)聚合物和/或陰離子傳導(dǎo)聚合物。
[0102]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述離子傳導(dǎo)聚合物可包括質(zhì)子傳導(dǎo)材料。
[0103]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，第一離子傳導(dǎo)聚合物和第二離子傳導(dǎo)聚合物可各自包括選自以下中的一種、兩種或更多種類型:磺化苯并咪唑基聚合物、磺化聚酰亞胺基聚合物、磺化聚醚酰亞胺基聚合物、磺化聚苯硫醚基聚合物、磺化聚砜基聚合物、磺化聚醚砜基聚合物、磺化聚醚酮基聚合物、磺化聚醚-醚酮基聚合物、磺化聚苯基喹喔啉基聚合物、其中引入有磺化偏氟基的聚合物，和磺化氟基聚合物。
[0104]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述離子傳導(dǎo)聚合物在60°C或更高下可具有ImS/cm或更大的離子傳導(dǎo)率。
[0105]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的透氣度可為6秒/10ml或更大。
[0106]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述離子迀移區(qū)可包含大于或等于按體積計(jì)70%且小于或等于按體積計(jì)100%的第一離子傳導(dǎo)聚合物。
[0107]本說(shuō)明書(shū)的聚合物電解質(zhì)膜具有優(yōu)異拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的優(yōu)勢(shì)。
[0108]本說(shuō)明書(shū)的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率意指使用聯(lián)合測(cè)試機(jī)(UTM)在1mm/分鐘的速率下根據(jù)美國(guó)材料與測(cè)試協(xié)會(huì)(American Society for Testing and Materials，ASTM)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量以狗骨頭形式切割的聚合物電解質(zhì)膜。UTM為同時(shí)測(cè)量拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的設(shè)備，并且為本領(lǐng)域中常用的設(shè)備。
[0109]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的拉伸強(qiáng)度可大于或等于200kgf/cm2且小于或等于2000kgf/cm2，或者大于或等于500kgf/cm2且小于或等于1500kgf/Cm20
[0110]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的伸長(zhǎng)率可大于或等于50%且小于或等于300%?；蛘撸鼍酆衔镫娊赓|(zhì)膜的伸長(zhǎng)率可大于或等于100%且小于或等于 300%。
[0111]本說(shuō)明書(shū)的聚合物電解質(zhì)膜具有優(yōu)異耐用性的優(yōu)勢(shì)。特別地，可通過(guò)RH循環(huán)來(lái)鑒定所述聚合物電解質(zhì)膜的優(yōu)異耐用性。
[0112]本說(shuō)明書(shū)的RH循環(huán)意指測(cè)量將聚合物電解質(zhì)膜制備成膜電極組合件(MEA)之后處于燃料電池狀態(tài)的耐用性。特別地，本說(shuō)明書(shū)的RH循環(huán)意指在向陽(yáng)極以0.95slm(每分鐘的標(biāo)準(zhǔn)升數(shù))的流量注入氮、向陰極以1.0slm的流量注入氮并且以兩分鐘的間隔在150%RH的增濕和0%RH的非增濕之間轉(zhuǎn)換的同時(shí)，于80°C的條件下測(cè)量耐用性。
[0113]此外，本說(shuō)明書(shū)的RH循環(huán)較高意指聚合物電解質(zhì)膜具有較高的耐用性。另外，RH循環(huán)意指直至聚合物電解質(zhì)膜被損壞至足以不能用作MEA的循環(huán)時(shí)的循環(huán)數(shù)。
[0114]為了測(cè)量在本說(shuō)明書(shū)的RH循環(huán)期間對(duì)電解質(zhì)膜的損壞，使用線性掃描伏安法(LSV)。特別地，LSV意指在向陽(yáng)極以0.2slm的流量注入氫并向陰極以0.2slm的流量注入氮的同時(shí)測(cè)量在0.1V至0.4V下(2mV/s)的氫交叉(hydrogen crossover)。換言之，當(dāng)在RH循環(huán)期間氫交叉值增加時(shí)，可認(rèn)為聚合物電解質(zhì)膜受損，并且通過(guò)氫交叉值增加的程度，可確定聚合物電解質(zhì)膜損壞的程度。
[0115]換言之，RH循環(huán)具有較高數(shù)值意指聚合物電解質(zhì)膜具有較高的耐用性，并且當(dāng)RH循環(huán)為20，000個(gè)循環(huán)或更大時(shí)，一般認(rèn)為聚合物電解質(zhì)膜具有優(yōu)異的耐用性。根據(jù)本說(shuō)明書(shū)一個(gè)實(shí)施方案的聚合物電解質(zhì)膜甚至在RH循環(huán)為20，000個(gè)循環(huán)或更大時(shí)仍能夠維持穩(wěn)定性能而幾乎無(wú)性能下降。
[0116]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解膜的RH循環(huán)可為20，000個(gè)循環(huán)或更高。此外，本說(shuō)明書(shū)的聚合物電解質(zhì)膜的RH循環(huán)可為40，000個(gè)循環(huán)或更高，或者50，000個(gè)循環(huán)或更高。另外，所述聚合物電解質(zhì)膜的RH循環(huán)可為75，000個(gè)循環(huán)或更高，或者80，000個(gè)循環(huán)或更高。所述聚合物電解質(zhì)膜在上述RH循環(huán)數(shù)值范圍內(nèi)幾乎不經(jīng)歷性能下降。
[0117]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的RH循環(huán)可為200,000個(gè)循環(huán)或更低?；蛘撸鶕?jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的RH循環(huán)可為150，000個(gè)循環(huán)或更低，或者100，000個(gè)循環(huán)或更低。
[0118]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的RH循環(huán)可大于或等于I個(gè)循環(huán)且小于或等于150,000個(gè)循環(huán)。
[0119]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的RH循環(huán)可大于或等于20，000個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0120]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的RH循環(huán)可大于或等于40，OOO個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0121]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的RH循環(huán)可大于或等于50，000個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0122]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的RH循環(huán)可大于或等于70，000個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0123]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于Iym且小于或等于30μπι，并且RH循環(huán)可大于或等于20個(gè)循環(huán)且小于或等于150,000個(gè)循環(huán)。
[0124]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于Ιμπι且小于或等于30μπι，并且RH循環(huán)可大于或等于40個(gè)循環(huán)且小于或等于150,000個(gè)循環(huán)。
[0125]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于Iym且小于或等于30μπι，并且RH循環(huán)可大于或等于50個(gè)循環(huán)且小于或等于150,000個(gè)循環(huán)。
[0126]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于Iym且小于或等于30μπι，并且RH循環(huán)可大于或等于70個(gè)循環(huán)且小于或等于150,000個(gè)循環(huán)。
[0127]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于Iym且小于或等于15μπι，并且RH循環(huán)可大于或等于20，000個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0128]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于Ιμπι且小于或等于15μπι，并且RH循環(huán)可大于或等于40，000個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0129]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于Iym且小于或等于15μπι，并且RH循環(huán)可大于或等于50，000個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0130]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于Iym且小于或等于15μπι，并且RH循環(huán)可大于或等于70，000個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0131]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的總純層厚度可大于或等于Oym且小于或等于ΙΟμπι，并且RH循環(huán)可大于或等于20個(gè)循環(huán)且小于或等于150,000個(gè)循環(huán)。
[0132]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的總純層厚度可大于或等于Ομπι且小于或等于ΙΟμπι，并且RH循環(huán)可大于或等于40個(gè)循環(huán)且小于或等于150,000個(gè)循環(huán)。
[0133]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的總純層厚度可大于或等于Oym且小于或等于ΙΟμπι，并且RH循環(huán)可大于或等于50個(gè)循環(huán)且小于或等于150,000個(gè)循環(huán)。
[0134]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的總純層厚度可大于或等于Ομπι且小于或等于ΙΟμπι，并且RH循環(huán)可大于或等于70,000個(gè)循環(huán)且小于或等于150,000個(gè)循環(huán)。
[0135]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于IMi且小于或等于30μπι，總純層厚度可大于或等于Ομπι且小于或等于ΙΟμπι，并且RH循環(huán)可大于或等于20，000個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0136]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于IMi且小于或等于30μπι，總純層厚度可大于或等于Ομπι且小于或等于ΙΟμπι，并且RH循環(huán)可大于或等于40，000個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0137]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于IMi且小于或等于30μπι，總純層厚度可大于或等于Ομπι且小于或等于ΙΟμπι，并且RH循環(huán)可大于或等于50，000個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0138]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于IMi且小于或等于30μπι，總純層厚度可大于或等于Ομπι且小于或等于ΙΟμπι，并且RH循環(huán)可大于或等于70，000個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0139]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于Iym且小于或等于15μηι，總純層厚度可大于或等于Ομπι且小于或等于ΙΟμπι，并且RH循環(huán)可大于或等于20，000個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0140]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于Iym且小于或等于15μηι，總純層厚度可大于或等于Ομπι且小于或等于ΙΟμπι，并且RH循環(huán)可大于或等于40，000個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0141]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于Iym且小于或等于15μηι，總純層厚度可大于或等于Ομπι且小于或等于ΙΟμπι，并且RH循環(huán)可大于或等于50，000個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0142]根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案，所述聚合物電解質(zhì)膜的混合層厚度可大于或等于Iym且小于或等于15μηι，總純層厚度可大于或等于Ομπι且小于或等于ΙΟμπι，并且RH循環(huán)可大于或等于70，000個(gè)循環(huán)且小于或等于150，000個(gè)循環(huán)。
[0143]本說(shuō)明書(shū)提供了包括所述聚合物電解質(zhì)膜的膜電極組合件。另外，本說(shuō)明書(shū)提供了包括所述膜電極組合件的燃料電池。
[0144]本說(shuō)明書(shū)的燃料電池包括本領(lǐng)域中通常已知的燃料電池。
[0145]本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)實(shí)施方案提供了一種燃料電池，其包括堆疊體，所述堆疊體包括膜電極組合件和設(shè)置在膜電極組合件之間的隔板；向所述堆疊體供應(yīng)燃料的燃料供應(yīng)單元;以及向所述堆疊體供應(yīng)氧化劑的氧化劑供應(yīng)單元。
[0146]圖4為示出了根據(jù)本說(shuō)明書(shū)一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池的結(jié)構(gòu)的圖，并且該燃料電池形成為包括堆疊體(60)、氧化劑供應(yīng)單元(70)和燃料供應(yīng)單元(80)。
[0147]堆疊體(60)包括一個(gè)、兩個(gè)或更多個(gè)膜電極組合件，并且當(dāng)包括兩個(gè)或更多個(gè)膜電極組合件時(shí)，包括設(shè)置在膜電極組合件之間的隔板。
[0148]隔板阻止膜電極組合件電連接，并且執(zhí)行傳遞從外部供應(yīng)的燃料和氧化劑的作用。
[0149]氧化劑供應(yīng)單元(70)執(zhí)行向堆疊體(60)供應(yīng)氧化劑的作用。作為氧化劑，通常使用氧，并且可通過(guò)用栗(70)注入來(lái)使用氧或空氣。
[0150]燃料供應(yīng)單元(80)執(zhí)行向堆疊體(60)供應(yīng)燃料的作用，并且可形成為具有儲(chǔ)存燃料的燃料箱(81)和將燃料箱(81)中儲(chǔ)存的燃料供應(yīng)至堆疊體(60)的栗(82)。作為燃料，可使用呈氣態(tài)或液態(tài)的氫或烴燃料，并且烴燃料的實(shí)例可包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或天然氣。
[0151]實(shí)施例
[0152]在下文，將參考實(shí)施例對(duì)本說(shuō)明書(shū)進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，可將根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的實(shí)施例修改成多種其他形式，并且本說(shuō)明書(shū)的范圍不解釋為局限于下述實(shí)施例。提供本說(shuō)明書(shū)中的實(shí)施例是為了向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員更全面地描述本說(shuō)明書(shū)。
[0153][實(shí)施例1]
[0154]浸漬溶液通過(guò)將7重量％的離子交換容量(IEC)為2.16meq/g的烴基聚合物溶解于二甲基亞砜(DMSO)中來(lái)制備。將支撐體浸入到浸漬溶液中，所述支撐體的厚度為約5μπι，孔隙率為約80%并且具有其中規(guī)則地分布有兩個(gè)或更多個(gè)單元的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其后，將所得物在爐中于80 0C下干燥24小時(shí)以制備混合層。通過(guò)將7重量%的離子交換容量(IEC)為1.81meq/g的烴基聚合物溶解于二甲基亞砜(DMSO)中來(lái)制備溶液，將該溶液施加在混合層的上表面和下表面上，并將所得物在爐中于80°C下干燥24小時(shí)以制備純層。將制備的聚合物電解質(zhì)膜用10%硫酸在80°C下酸處理24小時(shí)，用蒸餾水洗滌4次或更多次，并于80°C下干燥以制備聚合物電解質(zhì)膜。
[0155][實(shí)施例2]
[0156]以與實(shí)施例1中相同的方式制備聚合物電解質(zhì)膜，不同之處在于浸漬溶液中包含的烴基聚合物的離子交換容量(IEC)為1.Slmeq/g，并且未另外形成純層。
[0157][比較例I]
[0158]以與實(shí)施例1中相同的方式制備聚合物電解質(zhì)膜，不同之處在于浸漬溶液中包含的烴基聚合物的離子交換容量(IEC)為1.68meq/g，ePTFE的厚度為約5μπι，孔隙率為85%或更大，使用其中不規(guī)則地分布有不能定義為單元的孔的結(jié)構(gòu)作為支撐體，并且未另外形成純層。
[0159][測(cè)試?yán)齗
[0160]為了測(cè)量根據(jù)實(shí)施例和比較例制備的聚合物電解質(zhì)膜在燃料電池中的性能，制備包括該聚合物電解質(zhì)膜的膜電極組合件。特別地，將聚合物電解質(zhì)膜切割成ScmXScm的方塊，并將具有0.4mg/cm2Pt的碳負(fù)載型鈾催化劑以5cmX 5cm的尺寸轉(zhuǎn)移至聚合物電解質(zhì)膜的上表面和下表面以制備膜電極組合件。
[0161]在H2/空氣和大氣壓條件下于100%相對(duì)濕度(RH)、50%相對(duì)濕度(RH)和32%相對(duì)濕度(RH)的條件下進(jìn)行所制備膜電極組合件的性能評(píng)估。
[0162]圖5示出了根據(jù)實(shí)施例和比較例的聚合物電解質(zhì)膜在100%相對(duì)濕度(RH)條件下取決于燃料電池中的電流密度的電壓。
[0163]圖6示出了根據(jù)實(shí)施例和比較例的聚合物電解質(zhì)膜在50%相對(duì)濕度(RH)條件下取決于燃料電池中的電流密度的電壓。
[0164]圖7示出了根據(jù)實(shí)施例和比較例的聚合物電解質(zhì)膜在32%相對(duì)濕度(RH)條件下取決于燃料電池中的電流密度的電壓。
[0165]根據(jù)圖5至圖7的結(jié)果看到，與根據(jù)比較例的聚合物電解質(zhì)膜相比，根據(jù)實(shí)施例的聚合物電解質(zhì)膜表現(xiàn)出更高的性能。
[0166]另外，由圖7的在低濕度條件下的性能結(jié)果看到，與比較例的聚合物電解質(zhì)膜相比，在實(shí)施例的聚合物電解質(zhì)膜中獲得穩(wěn)定性能。
[0167]由圖5至圖7的結(jié)果可以看出，在根據(jù)實(shí)施例的聚合物電解質(zhì)膜中在高濕度條件下可獲得穩(wěn)定性能，并且當(dāng)如根據(jù)實(shí)施例1中的聚合物電解質(zhì)膜中那樣設(shè)置純層時(shí)，甚至在低濕度條件下仍能夠維持更為穩(wěn)定且顯著的性能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種包括混合層的聚合物電解質(zhì)膜，所述混合層包括離子迀移區(qū)和具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的支撐體， 其中所述離子迀移區(qū)具有其中兩個(gè)或更多個(gè)含有第一離子傳導(dǎo)聚合物的單元三維地鄰接的結(jié)構(gòu)，以及 所述第一離子傳導(dǎo)聚合物的離子交換容量(IEC)大于或等于1.7meq/g且小于或等于2.5meq/g。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜，包括含有第二離子傳導(dǎo)聚合物的純層，所述純層設(shè)置在所述混合層的上表面、或者下表面、或者上表面和下表面二者上， 其中所述第二離子傳導(dǎo)聚合物的離子交換容量(IEC)低于所述第一離子傳導(dǎo)聚合物的離子交換容量(IEC)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述第二離子傳導(dǎo)聚合物的離子交換容量(IEC)比所述第一離子傳導(dǎo)聚合物的離子交換容量(IECMg0.2meq/g或更多。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述第二離子傳導(dǎo)聚合物的離子交換容量(IEC)大于或等于0.9meq/g且小于或等于1.8meq/g。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述純層還包括含有所述第一離子傳導(dǎo)聚合物的附加純層，所述附加純層設(shè)置成鄰接所述混合層。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述混合層的厚度大于或等于IMi且小于或等于30μηι。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述純層的厚度各自獨(dú)立地大于Ομπι且小于或等于6μηι。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述附加純層的厚度大于Ομπι且小于或等于5μηι09.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中各自設(shè)置在所述混合層的上表面和下表面上的所述純層之間的厚度差為所述混合層的厚度的50%或更小。10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述混合層和全部純層之間的厚度比為 1:0 至 1:4。11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述聚合物電解質(zhì)膜的總厚度大于或等于3μηι且小于或等于36μηι。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中相對(duì)于所述混合層的總體積，所述離子迀移區(qū)大于或等于按體積計(jì)40%且小于或等于按體積計(jì)85%。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中在與所述聚合物電解質(zhì)膜的上表面水平的任意表面上，所述單元沿所述聚合物電解質(zhì)膜的任一方向(X軸方向)、其垂直方向(y軸方向)和厚度方向(z軸方向)以兩個(gè)或更多個(gè)層層合。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述支撐體具有其中分布有兩個(gè)或更多個(gè)所述單元的海綿結(jié)構(gòu)。15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜，其在所述聚合物電解質(zhì)膜的垂直截面和水平截面二者中包括兩個(gè)或更多個(gè)所述單元的的截面。16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述支撐體形成為具有兩個(gè)或更多個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括三個(gè)或更多個(gè)分支。17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述離子迀移區(qū)在離子迀移期間每1μm包括3個(gè)或更多個(gè)拐點(diǎn)。18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述支撐體包含烴基或氟基材料。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述支撐體包含半結(jié)晶聚合物。20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述支撐體包含聚烯烴、碳氟化合物、聚酰胺、聚酯、聚縮醛(或聚甲醛)、聚硫化物、聚乙烯醇、其共聚物及其組合。21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述第一離子傳導(dǎo)聚合物和所述第二離子傳導(dǎo)聚合物各自包括選自以下中的一種、兩種或更多種類型:磺化苯并咪唑基聚合物、磺化聚酰亞胺基聚合物、磺化聚醚酰亞胺基聚合物、磺化聚苯硫醚基聚合物、磺化聚砜基聚合物、磺化聚醚砜基聚合物、磺化聚醚酮基聚合物、磺化聚醚-醚酮基聚合物、磺化聚苯基喹喔啉基聚合物、其中引入有磺化偏氟基的聚合物、和磺化氟基聚合物。22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜，其透氣度為6秒/10ml或更大。23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜，其中所述離子迀移區(qū)包含大于或等于按體積計(jì)70%且小于或等于按體積計(jì)100%的所述第一離子傳導(dǎo)聚合物。24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜，其拉伸強(qiáng)度大于或等于200kgf/cm2且小于或等于 2000kgf/cm2o25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜，其伸長(zhǎng)率大于或等于50%且小于或等于300%。26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)膜，其RH循環(huán)為20，000個(gè)循環(huán)或更高。27.—種膜電極組合件，其包括根據(jù)權(quán)利要求1至26中任一項(xiàng)所述的聚合物電解質(zhì)膜。28.一種燃料電池，其包括根據(jù)權(quán)利要求27所述的膜電極組合件。
【文檔編號(hào)】H01M8/1053GK105849959SQ201480071336
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2014年11月26日
【發(fā)明人】閔敏圭, 樸永善, 金赫, 崔盛皓, 李祥雨, 金度塋
【申請(qǐng)人】株式會(huì)社Lg化學(xué)