[发明专利]聚合物电解质膜、其制造方法和包括所述聚合物电解质膜的电化学装置

说明书

本公开涉及：一种聚合物电解质膜、其制造方法和包括所述聚合物电解质膜的电化学装置，所述聚合物电解质膜即使随着长时间使用在离子导体中发生化学降解时，也可以防止离子导体损失，由此可以显著改善化学耐久性。本公开的聚合物电解质膜包含聚合物电解质材料。所述聚合物电解质材料包含离子导体和不与离子导体结合的交联剂。所述交联剂具有至少一个可以与已经降解的离子导体结合的可交联官能团，从而引起与离子导体交联。

技术领域

本公开涉及一种聚合物电解质膜、其制造方法和包括所述聚合物电解质膜的膜电极组件，更具体地涉及一种尽管在长时间使用时离子导体发生化学降解也能够防止离子导体损失，从而表现出大大改善的化学耐久性的聚合物电解质膜；该聚合物电解质膜的制造方法；和包括所述聚合物电解质膜的电化学装置。

背景技术

如本文中所使用，术语“电化学装置”包括发电装置(例如，燃料电池)和节能装置(例如，氧化还原液流电池，RFB)。

通过氢与氧之间的结合发电的燃料电池具有的优点在于，只要供应氢和氧就连续发电，并且由于没有热量损失而具有约是内燃机的两倍高的效率。

另外，燃料电池由于将通过氢与氧结合产生的化学能直接转化为电能而排放较少的污染物。因此，燃料电池具有环境友好性并且减少对由增加的能量消耗引起的资源枯竭的担忧的优点。

在燃料电池中实质上发电的堆叠体具有数个至数十个单元电池层叠的结构，每个单元电池包括膜-电极组件(MEA)和隔膜(也称为“双极板”)。膜-电极组件通常包括阳极(也称为“燃料电极”)、阴极(也称为“空气电极”)和插入在它们之间的电解质膜。

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。供应至阴极的氧与质子和电子结合从而被还原，由此生成水。

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，并且待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膜电极组件的性能和成本具有最大影响的关键因素之一。

用于燃料电池的聚合物电解质膜需要高离子传导性、优异的化学耐久性、高机械强度、高耐热性、低氢气透过性、优异的尺寸稳定性等。

同时，氧化还原液流电池(RFB)是一种二次电池，其可以通过电解质的可逆电化学反应反复地充电和放电而长时间使用。

氧化还原液流电池(RFB)通常包括两种类型的液体电解质，它们通过聚合物电解质膜(也称为“离子交换膜”)彼此隔离。阳极处的第一液体电解质反应与阴极处的第二液体电解质反应不同，引起压力差。为了克服这种压力差并且即使在反复充电和放电之后也表现出优异的电池性能，聚合物电解质膜需要高离子传导性以及优异的物理和化学稳定性。

为了改善用于电化学装置的聚合物电解质膜的机械强度和尺寸稳定性，已经开发了一种包括浸渍有离子导体的多孔载体的增强复合膜型聚合物电解质膜。