[发明专利]聚合物电解质膜、包括该聚合物电解质膜的膜电极组件以及包括该膜电极组件的燃料电池

说明书

本申请提供了一种聚合物电解质膜、包括该聚合物电解质膜的膜电极组件，以及包括该膜电极组件的燃料电池。

技术领域

本申请要求于2013年04月29日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2013-0047773、于2013年05月02日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2013-0049424、于2013年11月01日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2013-0132160以及于2013年11月26日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2013-0144440的优先权和权益，上述申请的全部内容通过引用的方式并入本申请中。

本申请提供一种聚合物电解质膜、包括该聚合物电解质膜的膜电极组件，以及包括该膜电极组件的燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种高效的发电装置，与现有的内燃机相比，由于效率较高而具有燃料使用量低的优点，而且它是不产生例如SO_x、NO_x和VOC等环境污染物的无污染能源。另外，还具有生产设施所需区域面积小以及施工周期短的优点。

因此，燃料电池具有多种用途，包括例如便携式装置的移动电源、例如汽车的交通电源，以及可用于家用和电力工业的分散发电设备。特别是，当将燃料电池汽车这种新一代交通工具的运营商业化时，预期潜在的市场规模较为广阔。

根据工作温度和电解质，将燃料电池主要分为5类，具体包括碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)。在这些燃料电池中，具有优异迁移率的聚合物电解质膜燃料电池和直接甲醇燃料电池已作为未来的电源而受到广泛关注。

聚合物电解质膜燃料电池的基本原理为，将气体扩散电极层配置在聚合物电解质膜的两面上，使阳极面向燃料电极且阴极面向氧化电极而通过聚合物电解质膜的化学反应来生成水，并将由此产生的反应能量转化为电能。

离子导电聚合物电解质膜的代表性实例可以包括Nafion，一种由美国Dupont于20世纪60年代早期开发的全氟化氢离子交换膜。除Nafion外，类似的商业化全氟化聚合物电解质膜包括由Asahi Kasei Chemicals Corporation生产的Aciplex-S膜、由Dow ChemicalCompany生产的Dow膜，以及由Asahi Glass Co.,Ltd.生产的Flemion膜等。

现有的商业化的全氟化聚合物电解质膜具有耐化学性、抗氧化性和优异的离子电导性，但是存在价格昂贵以及由于在制造过程中生成中间体的毒性而造成环境问题的问题。因此，为了弥补这种全氟化聚合物电解质膜的缺点，对将羧基或磺酸基等引入芳环聚合物的聚合物电解质膜进行了研究。其实例包括：磺化聚芳醚砜[Journal of MembraneScience,1993,83,211]、磺化聚醚醚酮[日本专利申请公开公布号H06-93114、美国专利号5,438,082]以及磺化聚酰亚胺[美国专利号6,245,881]等。

根据温度和水合程度，聚合物电解质膜的膜厚度和体积随之产生15至30％的变化，因此，所述电解质膜根据燃料电池的工作环境而反复地膨胀和收缩，并因这种体积变化而产生微孔或裂缝。另外，作为副反应，由阴极中的氧气的还原反应而生成过氧化氢(H₂O₂)或过氧自由基，这会导致电解质膜的降解。鉴于在燃料电池工作过程中所可能发生的这种现象，已经对用于燃料电池的聚合物电解质膜在改善机械和化学耐久性的方向上进行了开发。