[发明专利]多重导电的固体电解质膜和燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及多重导电的固体电解质膜，尤其适合用于固体电解质膜的燃料电池，及其生产方法。

背景技术

燃料电池是一种不经过燃烧，直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂中的化学能转变为电能的发电装置。固体电解质膜燃料电池，尤其是使用聚合物电解质膜的燃料电池具有常温下快速起动、结构简单紧凑、可靠性高等特点，因而作为有着广阔应用前景的新能源技术而备受关注。

传统的固体电解质膜燃料电池中的固体电解质膜仅通过传导单一类型的离子进行导电，如质子交换膜传导质子，碱性阴离子交换膜传导氢氧根离子，这些膜的离子传导能力对膜的含水量依赖度较高，在较高温度(>80^oC)下面临着因失水而导致的离子传导率急剧下降的问题，因而使用这些膜的燃料电池必须额外配置水管理设备，增大了体积的同时，也增强了成本。此外，燃料电池使用的碱性阴离子交换膜的研究仍处在起始阶段，没有商品化的产品；质子交换膜广泛使用的是已经商品化的Dupont生产的Nafion系列膜，但这种膜还存在着价格昂贵，甲醇渗透率高和不适宜高温操作的缺点。 因而需要研究不使用水管理设备的固体电解质膜燃料电池和开发相应的高性能低价格的聚合物电解质膜。

针对上述问题，Unlu M (Journal of Physical Chemistry C, 2009, 113(26): 11416-11423)将碱性阴离子膜与质子交换膜简单层叠，制备了杂化膜燃料电池，获得具有自润湿特征的燃料电池，但由于两种膜只是简单的层叠，界面上容易出现分层，不利于长期使用。中国专利CN 101084364A报道的双电解液无膜微通道燃料电池可以获得1.93V的热力学电势，但所使用的为液体电解质，需要额外的电解液供给和收集装置，给操作带来了极大不便。

发明内容

本发明就是针对上述问题提出一个新的解决方案，即多重导电的固体电解质膜燃料电池，这种燃料电池采用具有多重导能力的固体电解质膜代替传统的只能传导单一类型离子的膜，如使用可以同时传导质子和氢氧根离子的膜代替质子交换膜。

本发明具有以下优点(以优化的使用传导质子和氢氧根离子的膜的燃料电池为例)：1)质子与氢氧根离子在膜内结合生产水，使膜具有自润湿特性，可省却水管理设备；2)在阴极可以使用非贵金属催化剂，从而降低生产成本；3)新型碳氢材料的聚合物电解质膜的开发，可替代昂贵的Nafion膜，进一步降低燃料电池的成本。

附图说明

图1为本发明中采用兼具传导质子和氢氧根离子功能的膜的燃料电池结构示意图。1可同时传导质子和氢氧根离子的固体电解质膜，2负极（阳极，燃料侧电极），3正极（阴极，氧化剂侧电极），阳极和阴极都是含有酸性或碱性离子交换树脂和催化剂的多孔层，4阳极导电扩散层，5阴极导电气体扩散层，6兼有流场和集流功能的阳极末端挡板和兼有流场和7集流功能的阴极末端挡板。

具体实施方式

实施例1

通过将含有芳醚结构单元的聚砜膜置于两隔室扩散槽之间，两隔室内分别放入三甲基氯硅烷和三甲基氯磺酸硅，在40^oC反应4.5h，清洗完成后，再放入三甲胺溶液进行季铵化，最后再浸入1M的氢氧化钠溶液碱化，获得同时传导质子和氢氧根离子的固体电解质膜。然后，将含有Nafion树脂的炭载Pt阳极催化层置于与三甲基氯磺酸硅反应的膜一侧，含有季铵化苯乙烯树脂的炭载Pt阴极催化层置于与三甲基氯硅烷反应的膜一侧，经热压制成膜电极组件，最后组装成燃料电池。未润湿氢气和空气分别输入燃料电池阳极侧8和阴极侧9， 80^oC下可以获得的输出功率峰值为421.3mW/cm²。