[发明专利]具低穿透率的有机无机混成的复合质子交换膜

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜，尤其涉及一种具有低穿透率(permeability)的有机无机混成(organic-inorganic hybrid)的复合质子交换膜。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种利用化学能直接转换为电能的发电装置，与传统发电方式比较之下，燃料电池具有低污染、低噪音、高能量密度以及较高的能量转换效率等优点，是极具未来前瞻性的干净能源，可应用的范围包括携带式电子产品、家用发电系统、运输工具、军用设备、太空工业以及小型发电系统等各种领域。

各类燃料电池依其运作原理及操作环境之不同而有不同的应用市场，在可移动式能源上的应用主要是以氢气质子交换膜燃料电池(Proton ExchangeMembrane fuel Cell，PEMFC)及直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)为主，两者都属于使用质子交换膜进行质子传导机制之低温启动型燃料电池。

直接甲醇燃料电池的操作原理，为甲醇与水在阳极触媒层进行氧化反应，产生氢离子(H⁺)、二氧化碳(CO₂)以及电子(e^-)，其中氢离子可以经由质子传导膜传递至阴极，而电子则经由外部电路传输至负载作功之后再传递至阴极，此时供给阴极端的氧气会与氢离子及电子于阴极触媒层进行还原反应并产生水。此类质子交换膜燃料电池的性能决定于触媒三相反应效率，牵涉电子传导、离子传导及燃料传输效率，在燃料电池设计中三者同等重要，任何一条传导路径遭到阻碍，燃料电池的性能即受到影响。其中主导离子传导速率者为质子交换膜。

然而，直接甲醇燃料电池的膜电极组(membrane electrode assembly，MEA)因为甲醇穿透(methanol crossover)现象，因而使其面临电池寿命短、发电效率衰退等问题。在现有燃料电池中，阳极结构存在着液态、胶态、固态、或气态的有机燃料(如甲醇等醇类、醛类、或酸类)穿透的问题，如部份燃料与水经过阳极未与触媒产生反应，而直接穿越质子交换膜到达阴极，导致阴极催化反应能力降低。此外，燃料在阴极触媒进行氧化反应，与其周围氧气的还原反应共同形成混合电位(mixed potential)现象，使得燃料电池输出电压下降。这不但使燃料电池的输出功率降低，也使得燃料使用效率降低。此外，穿透的燃料也会导致质子交换膜与阴极的电极粘着剂膨润而加速阴极结构老化。

有鉴于甲醇穿透的问题是造成阴极触媒毒化而影响电池的耐久性(durability)，与发生混合电位(mixed potential)使得输出功率下降的主要因素。因此亟需一种可以降低甲醇穿透的质子交换膜。此外如质子交换膜具有低膨润(swelling)的行为也将大幅降低因质子交换膜与电极粘着剂膨润所造成之剥离(peeling)脱落的情形。

发明内容

本发明提供一种有机无机混成的复合质子交换膜，可以降低甲醇穿透。

本发明提出一种有机无机混成的复合质子交换膜，包括0.001wt％～10wt％无机材料以及99.999wt％～90wt％有机材料。无机材料为具二维结构的石墨烯衍生物。有机材料包括具磺酸根的高分子材料。

在本发明的一实施例中，所述石墨烯衍生物是选自由氧化石墨烯、硫化石墨烯、氢氧化石墨烯、碳酸化石墨烯、氮化石墨烯与磺酸化石墨烯所组成的族群。

在本发明的一实施例中，所述有机材料包括磺酸化聚氟共聚高分子(PTFE-PFSA copolymer)或磺酸化碳氢型高分子。

在本发明的一实施例中，所述磺酸化碳氢型高分子包括磺化聚醚醚酮(sulfonated poly(ether ether ketone)，s-PEEK)、磺化聚亚酰胺(sulfonatedpolyimides，s-PI)、磺化聚氧化二甲苯(sulfonated poly(phenylene oxide)，s-PPO)、磺化聚芳醚砜(sulfonated poly(arylene ether sulfone)，s-PES)、或磺化聚(4-苯氧基1，4苯基苄基酯)(sulfonated poly(4-phenoxybenzoyl-1，4-phenylene)，s-PPBP)。

在本发明的一实施例中，所述石墨烯衍生物是氧化石墨烯时，其添加量例如0.001wt％～5wt％。

在本发明的一实施例中，所述石墨烯衍生物是硫化石墨烯时，其添加量例如0.001wt％～5wt％。