[发明专利]聚合物电解质膜、其制备方法和包括其的膜电极组件

说明书

本发明涉及一种聚合物电解质膜、其制备方法和包括所述聚合物电解质膜的膜电极组件。所述聚合物电解质膜包括：氟类载体，该氟类载体由于聚合物微原纤维结构而包含多个孔；混杂多孔载体，该混杂多孔载体位于所述氟类载体的一个或两个表面上，并且包括通过将纳米纤维与包括多个孔的非织造织物结合成一体而得到的纳米网；和离子导体，所述多孔载体的孔填充了该离子导体。所述聚合物电解质膜可以降低氢渗透性，同时在耐久性和离子传导性两方面均优异。

技术领域

本公开涉及一种聚合物电解质膜、其制备方法和包括所述聚合物电解质膜的膜-电极组件。更具体地，本公开涉及一种具有优异的耐久性和离子传导性并且能够降低氢渗透性的聚合物电解质膜、其制备方法和包括所述聚合物电解质膜的膜-电极组件。

背景技术

燃料电池是具有发电系统的电池，用于将来自包含在诸如甲醇、乙醇或天然气的烃类物质中的氧与氢之间的氧化/还原反应的化学反应能直接转换为电能。燃料电池由于其高能量效率和环境友好性，即，减少的污染物排放而作为能够替代化石燃料的下一代绿色(清洁)能源受到关注。

这种燃料电池由于基于单元电池的层叠的堆叠结构而具有能够产生宽范围的电力的优点，并且由于它的为小型锂电池的4倍至10倍的高能量密度而作为紧凑且便携的电源吸引了大量关注。

在燃料电池中实质上发电的堆叠体具有其中层叠有数个至数十个单元电池的结构，其中，每个单元电池包括膜-电极组件(MEA)和隔膜(也称为“双极板”)，并且膜-电极组件具有包括电解质膜和位于该电解质膜的各侧的阳极(也称为“燃料电极”或“氧化电极”)和阴极(也称为“空气电极”或“还原电极”)的结构。

根据电解质的状态和类型，燃料电池可以分为碱性电解质燃料电池、聚合物电解质燃料电池(PEMFC)等。其中，聚合物电解质燃料电池由于具有低于100℃的低操作温度、快速启动、快速响应和优异的耐久性的优点，作为用于车辆和家用的便携式电源受到关注。

聚合物电解质燃料电池的典型实例包括使用氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)、使用液体甲醇作为燃料的直接甲醇型燃料电池(DMFC)等。

将简要描述在聚合物电解质燃料电池中发生的反应。首先，当诸如氢气的燃料被供应至阳极时，阳极的氢被氧化以产生质子(H⁺)和电子(e^-)。产生的质子通过聚合物电解质膜转移至阴极，而产生的电子通过外部电路转移至阴极。在阴极供应氧，并且氧与质子和电子结合以通过氧的还原生成水。

同时，为了实现聚合物电解质燃料电池的商业化，仍然存在许多需要克服的技术障碍，并且需要改善的基本因素包括高性能、长寿命和低成本。对其影响最大的部件是膜-电极组件。特别地，聚合物电解质膜是对MEA的性能和成本具有最大影响的关键因素之一。

对于聚合物电解质燃料电池的运行中所需要的聚合物电解质膜的要求包括高质子传导性、化学稳定性、低燃料透过性、高机械强度、低水含量、优异的尺寸稳定性等。常规的聚合物电解质膜在特定温度和相对湿度环境下，特别是在高温和低湿度条件下难以表现出正常的高性能。因此，应用常规聚合物电解质膜的聚合物电解质燃料电池的应用范围有限。

通常用于运输用燃料电池中的使用氟类聚合物材料的聚合物电解质膜由于对在运行过程中产生的自由基的弱耐性，具有对自由基的稳定性低，即，化学稳定性低的缺点。此外，聚合物电解质膜由于宽的质子传输通道而具有高质子传导性，但是具有氢渗透性高的缺点。特别地，用于运输如需要高的长久稳定性的公共汽车或卡车的商用燃料电池需要可以克服这些缺点的高耐久性的聚合物电解质膜。

发明内容

技术问题

因此，本公开的一个目的是提供一种具有优异的耐久性和离子传导性并且能够降低氢渗透性的聚合物电解质膜。

本公开的另一目的是提供一种聚合物电解质膜的制备方法。