[发明专利]聚合物电解液膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池的聚合物电解质膜及其制备方法，更具体地，本发明涉及具有优异的机械强度和充分提高的液体保持能力的燃料电池聚合物电解质膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池组形成产能系统，其中氧与甲醇、乙醇或天然气等烃基材料的氢之间的化学反应能直接转化成电能。根据所用的电解液，燃料电池可分为磷酸型燃料电池，熔融碳酸盐型燃料电池，固体氧化物型燃料电池，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，碱性燃料电池等。这些燃料电池根据相同的原理工作，但是具有不同的燃料，不同的工作温度，不同的催化剂，及不同的电解液等。

在这些燃料电池中，最近开发的PEMFC较其它燃料电池具有更好的能量输出特性，更低的工作温度，更快的启动，及更迅速的响应。由于这些优点，PEMFC具有广泛的应用，例如汽车的便携式电源，居家或建筑物的独立电源，以及电子设备的小型电源等。

通常，PEMFC包括具有聚合物电解液的聚合物电解质膜，例如主链为氟化亚烃基、侧链为以磺酸基封端的氟化乙烯基醚的全氟磺酸聚合物(例如Dupont公司生产的Nafion)。值得注意的是，该聚合物电解质膜是通过保持适量的水而具有高离子导电性的。

为了防止PEMFC的聚合物电解质膜干燥，常规的PEMFC在100℃或更低的温度如约80℃下工作。然而，这种100℃或更低的低温导致下述问题。PEMFC主要采用富氢气体作为燃料，这种富氢气体可通过重整有机燃料如天然气或甲醇而得到。然而，这种情况下，富氢气体除了CO₂之外还包含CO副产物。CO使阴极和阳极中所含的催化剂中毒。如果催化剂被CO中毒其电化学活性显著降低，因而PEMFC的工作效率和寿命显著地降低。而且当PEMFC的工作温度较低时，催化剂更容易中毒。

同时，当PEMFC的工作温度增加至约150℃或更高时，可以避免因CO而导致的催化剂中毒，而且可以更容易地控制PEMFC的温度。因此，可以使燃料重整器小型化，并且可以使冷却装置简化，从而使整个PEMFC产能系统小型化。然而，发现常规的电解质膜，即由例如主链为氟化亚烃基、侧链为以磺酸基封端的氟化乙烯基醚的全氟磺酸聚合物(例如Dupont公司生产的Nafion)构成的聚合物电解质膜，因为在上述高温下的水分蒸发而出现显著的性能下降。另外，含磺酸基的聚合物在约120℃或更高的温度下不能保持其原有的形状。结果，利用全氟磺酸聚合物形成的聚合物电解质膜不能充当高温下的电解质膜。

为了解决该问题，正在积极地研究可在高温下工作的非增湿性聚合物电解质，其主要基于采用磷酸(H₃PO₄)作为质子导体的聚苯并咪唑(PBI)-磷酸体系。

PBI-磷酸体系因保持磷酸于聚合物基质中而膨胀，并且在使用中反复地收缩和膨胀。然而，由于PBI基质因其机械强度小而容易收缩和膨胀，所以PBI基质易于断裂或损坏。在常规的PBI-磷酸体系中，正磷酸溶解于氢离子与氧之间的反应所产生的水并泄漏，因而电解质膜的离子导电性降低，而且当燃料电池长时间在高温下工作时，聚合物基质溶解于磷酸中。换言之，在高温下，聚合物基质因磷酸分子的缩合反应而失水，进而形成聚磷酸。所形成的磷酸降低离子导电性并溶解聚合物电解质膜。

发明内容

本发明提供一种具有优异的机械强度和充分提高的液体保持能力的聚合物电解质膜。

本发明还提供一种简单而有效的制备聚合物电解质膜的方法。

本发明还提供一种包括所述聚合物电解质膜的膜电极组件。

本发明还提供一种包括所述聚合物电解质膜的燃料电池。

根据本发明的一个方面，提供一种用于燃料电池的聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜包括：多孔聚合物基质；磷酸酯聚合物，其为含磷酸基的单体的聚合物，且分布于多孔聚合物基质中；及分布于多孔聚合物基质中的磷酸。

根据本发明的另一方面，提供一种制备聚合物电解质膜的方法，该方法包括：通过将引发剂和包含至少一个磷酸基和至少一个不饱和键的磷酸酯单体溶解于溶剂中，制备磷酸酯单体溶液；用该磷酸酯单体溶液浸渍多孔聚合物基质；聚合所浸渍的磷酸酯单体；及用磷酸浸渍聚合的产物。

根据本发明的又一方面，提供一种膜电极组件，该膜电极组件包括：包括催化剂层和扩散层的阴极；包括催化剂层和扩散层的阳极；及介于所述阴极和阳极之间的根据本发明的聚合物电解质膜。

根据本发明的再一方面，提供一种燃料电池，该燃料电池包括：包括催化剂层和扩散层的阴极；包括催化剂层和扩散层的阳极；及介于所述阴极和阳极之间的根据本发明的聚合物电解质膜。