[发明专利]耐久性和质子传导性优异的膜电极组件及其制造方法

说明书

本公开涉及耐久性和质子传导性优异的膜电极组件及其制造方法。该膜电极组件通过使用具有优异的化学耐久性和质子传导性的离子传导性聚合物而大大改善耐久性和质子传导性。

技术领域

本公开涉及一种膜电极组件及其制造方法。更具体地，本公开涉及一种膜电极组件，通过使用具有优异的化学耐久性和质子传导性的离子传导性聚合物而大大改善耐久性和质子传导性。

背景技术

用于车辆的聚合物电解质膜燃料电池是一种利用氢和空气中的氧之间的电化学反应来发电的发电装置，并且被称为具有高发电效率并且不产生除水以外的任何排出物的下一代环保能源。另外，聚合物电解质膜燃料电池通常在95℃以下的温度下工作，并可获得高输出密度。用于燃料电池发电的这种反应发生在膜电极组件(MEA)中，该膜电极组件包括全氟磺酸(PFSA)离聚物基电解质膜和电极，即阳极和阴极。

供应到燃料电池的氧化电极即阳极的氢被分离成质子和电子。质子通过膜移动到还原电极，即阴极，而电子通过外部电路移动到阴极。在阴极中，氧分子、质子和电子相互反应，从而产生电和热，同时产生水(H₂O)作为反应副产物。

通常，作为燃料电池的反应气体的氢和空气中的氧通过穿过电解质膜的渗透(crossover)而促进过氧化氢(HOOH)的生成。过氧化氢产生含氧自由基(Oxygen-Containing Radicals)，例如羟基自由基(·OH)、过氧化羟基自由基(·OOH)等。所述自由基攻击全氟磺酸(PFSA)离聚物基电解质膜，从而导致全氟磺酸(PFSA)离聚物基电解质膜的化学劣化，因此降低了燃料电池的耐久性(D.E.Curtin等，J.Power Sources，131，41-48(2004)；A.P.Young等，J.Electrochem.Soc.，157，B425-B436(2010)；P.Trogadas等，Electrochem.Solid-State Lett.，11，B113-B116(2008)；R.Uegaki等，J.Power Sources，196，9856-9861(2011)；D.Zhao等，J.Power Sources，190，301-306(2009))。

作为减轻常规电解质膜和膜电极组件的这种化学劣化的技术，已经提出了向电解质膜中添加各种抗氧化剂的方法。这里，主要利用例如六水合氮化铈(Cerium(III)NitrateHexahydrate)的抗氧化剂。

然而，在这种情况下，铈离子与全氟化磺酸离聚物的磺酸基的末端结合，并阻断质子(H⁺)可移动的路径。由此，虽然提高了电解质膜的化学耐久性，但是降低了电解质膜的质子传导性(Proton Conductivity)。

发明内容

本公开旨在解决与现有技术相关的上述问题，并且本公开的目的是提供一种具有比基于全氟磺酸(PFSA)离聚物例如Nafion^TM的电解质膜更优异的化学耐久性和质子传导性的膜电极组件。

在一方面中，本公开提供一种膜电极组件，包括：电解质膜；以及一对电极，形成在电解质膜的两个表面上，其中电解质膜或一对电极中的至少一个包括具有质子传导性基团的离子传导性聚合物；其中，以化学式MA_X表示的化合物与质子传导性基团的全部或部分结合，其中，M是镧系元素，A是亲水性官能团，X是维持A和M之间的电荷平衡所必需的数。

在一个实施例中，质子传导性基团可以包括磺酸基团。

在另一实施例中，离子传导性聚合物可以包括选自由全氟磺酸、磺化聚(芳基醚酮)、磺化聚(亚芳基醚砜)及其组合组成的组中的一种。

在再一实施例中，M可以是铈；并且亲水性官能团可以包括选自由羟基、羧基及其组合组成的组中的一种。

在又一实施例中，化学式MA_X表示的化合物可以包括氢氧化铈(Ce(OH)₃)。