[发明专利]两性离子高分子薄膜及燃料电池

说明书

技术领域

本发明是涉及一种两性离子高分子薄膜，更特别涉及其在燃料电池中质子交换膜的应用。

背景技术

请参照图1，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，以下简称PEMFC)是由一质子交换膜11夹于两块催化剂层13、气体扩散层15、双极板17(bipolar plate)、集电板18(current collector)、与端板19(end plate)间所组成。质子交换膜11分隔的两边分属阳极(氢气或重组气体)与阴极(氧气或空气)。阳极进行氧化反应，阴极进行还原反应，当阳极的氢气接触到与质子交换膜11相邻的催化剂13(一般为白金或白金合金)时，氢气分子会解离成为氢离子及电子，其中电子会经由衔接阳极与阴极的电桥、与电桥串接的装置16，自阳极游往阴极，氢离子则直接自阳极穿越薄膜电极组11到达阴极，特别强调的是此质子交换膜11为含湿性的薄膜，仅容许氢离子伴随水分子穿越，而其它气体分子均无法穿越。阴极端在催化剂的作用下，经由电桥到达的电子与氧结合成氧离子，与穿越质子交换膜11的氢离子合成形成水分子，此即电化学氧化与还原反应。

应用电化学反应使PEMFC发电系统具有效率高、无污染、反应快等特性，并可通过串联提高电桥电压或增加电极反应面积以提高电流量，特别是在源源不断的氢气及氧气(通常使用空气)供给下，可持续提供电力供给装置16的需求。在这样的特点下，PEMFC除了可作为小型系统电力，也可设计成为大型电厂、分布式电力及可移动电力。

(sulfonated tetrafluorethylene copolymer，磺酸化四氟乙烯共聚物)是1960年代由Dupont公司发展的导电高分子。由于其离子性质，此类化合物又称作聚电解质(polyelectrolyte)。Nafion独特的离子性质是来自于接枝于聚四氟乙烯主干末端的磺酸基，由于其优异的热稳定性及机械性质，Nafion在质子交换膜燃料电池(PEMFC)的领域中占有一席之地。

Nafion的磺酸基上的质子可由某一磺酸基转移至另一磺酸基以完成质子交换。相反的，电子和阴离子并无法进行上述的转移。

虽然Nafion具有许多优点，但仍有尺寸稳定性不佳及不利于高温操作等问题。综上所述，目前仍需新的组成取代Nafion以作为燃料电池的质子交换膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较佳尺寸稳定性、有利于在高温操作的两性离子高分子薄膜，以及提供一种包括将其用于质子交换膜的燃料电池。

本发明提供一种两性离子高分子薄膜，是由两性离子高分子以交联剂交联而成；其中两性离子高分子的结构如下：

R₁为苯基或C₁-C₁₀的烷基；R₂为或R₃为Na或K；m与n的比例介于1∶99至99∶1之间，以及两性离子高分子中R₂官能基与交联剂的摩尔比介于50∶5至50∶100之间。

本发明还提供一种燃料电池，包括质子交换膜夹设于两端板间；其中质子交换膜与端板之间依序为催化剂层、气体扩散层、双极板、以及集电板；其中质子交换膜是上述的两性离子高分子薄膜。

本发明的优点在于：本发明的两性离子高分子薄膜在吸水率、选择性、及机械性质上均较现有的质子交换膜好，更适于作为氢燃料电池或甲醇燃料电池的质子交换膜。

附图说明

图1是已知的质子交换膜燃料电池剖面图；

其中，主要组件符号说明：

11～质子交换膜；    13～催化剂层；    15～气体扩散层；

16～装置；    17～双极板；    18～集电板；

19～端板。

具体实施方式

本发明取乙烯基分子作为聚合单体，聚合后形成两性离子高分子，如式1所示：

(式1)其中，R₁为苯基或C₁-C₁₀的烷基，R₂为R₃为Na或K。

在本发明一实施例中，上述的两性离子高分子为无规共聚物。