[发明专利]用于燃料电池的聚合物电解质膜和制备该聚合物电解质膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的聚合物电解质膜和制备该聚合物电解质膜的方法，更具体而言，涉及即使在低湿度和高温度的条件下也能显示高离子传导率的聚合物电解质膜和制备该聚合物电解质膜的方法。

背景技术

燃料电池与常规电池不同，是一种能发电的电池，因此不需要替换或再充电。它使燃料如氢气或甲醇氧化产生化学能，然后将化学能转化成电能。由于燃料电池是能量转化率约为60%的高效率发电装置，因此能显著降低燃料消耗。而且，它是一种不产生污染物的生态友好的能源。具有这些优势的燃料电池可以用于各个领域，特别是用于运输工具如汽车等的电源。

基于电解质的种类和工作温度，燃料电池可以分为多种类型。在这些各种类型的燃料电池中，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)作为未来电源正受到特殊的关注。

聚合物电解质膜燃料电池包括阳极、阴极、以及阳极和阴极之间的聚合物电解质膜。氢气或含有氢气的气体常用作燃料供给阳极。氧气或含有氧气的气体常用作氧化剂供给阴极。在阳极燃料被氧化产生质子和电子。质子通过电解质膜传递到阴极而电子传递到外电路。穿过电解质膜的质子、外电路的电子和氧在阴极结合形成水。

从燃料电池发电效率或系统效率的角度来看，需要电解质膜在100℃至300℃的高温和50%或更低的低湿度的条件下具有良好的阳离子传导率。

然而，为了使质子传导功能良好，需要将足量的水分提供给由具有磺酸基的聚合物形成的常规电解质膜。在水分易蒸发的条件下，即100℃或更高的高温或50%或更低的低湿度下，常规电解质膜不能以满意的方式实现阳离子传导功能。

为了解决上述问题，建议将诸如咪唑、吡唑和苯并咪唑的杂环化合物作为可以取代水的阳离子导体(Journal of The Electrochemical Society,2007,154(4),pp.290-294)。

然而，由于分子量低，这些杂环化合物是不能牢固固定到电解质膜上的挥发性物质，并且迄今为止还没有提出任何方法可以将这些挥发性化合物牢固固定到电解质膜上。

发明内容

技术问题

因此，本发明针对的是能够避免现有技术中的这些限制和缺点，用于燃料电池的聚合物电解质膜以及制备该聚合物电解质膜的方法。

本发明的一方面是提供一种聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜即使在低湿度和高温度的条件下也能显示高离子传导率。

本发明的另一方面是提供一种聚合物电解质膜的制备方法，所述聚合物电解质膜即使在低湿度、高温度条件下也能显示高离子传导率。

本发明的其它优势、目的和特征将部分阐述在下面的说明书中，而另一部分对于查阅下面说明书的本领域技术人员来说将变得显而易见或从本发明的实践中领会到。本发明的目的或其他优点可通过说明书和其权利要求中特别指出的结构得以实现或获得。

技术方案

根据本发明的一方面，提供一种聚合物电解质膜，包括：多孔衬底；分散在所述多孔衬底中的自质子传导材料(self proton conducting material)；和浸入所述多孔衬底中的离子导体，其中所述自质子传导材料包含用唑环功能化的无机粒子。

根据本发明的另一方面，提供一种聚合物电解质膜的制备方法，该方法包括：制备自质子传导材料分散在其中的多孔衬底；将离子导体浸入到所述多孔衬底中，其中所述自质子传导材料含有用唑环功能化的无机粒子。

上面提供的一般描述和下面提供的详细描述仅用于举例说明本发明，并应当解释为是对权利要求中限定的本发明提供更加详细的描述。

有益效果

本发明的电解质膜即使在100℃或更高的高温和50%或更低的低湿度的条件下也能以令人满意的方式实现阳离子传导功能。而且，本发明的电解质膜由于具有包括多孔衬底和浸入其中的离子导体的复合结构而具有优异的机械强度和高耐久性。

因此，根据本发明，提高了燃料电池的发电效率和系统效率。

结合有关的技术特征将在下面详细地描述本发明的其它效果。

具体实施方式

下文中，仅为了举例说明的目的将详细描述和解释本发明的实施方案。本领域技术人员将理解在不背离本发明的范围和精神的情况下可以进行各种改进、添加和替换。因此，本发明包括落入权利要求中所描述的本发明范围和其等价物内的所有替换、改变。

根据本发明用于燃料电池的聚合物电解质膜包括多孔衬底、分散在所述多孔衬底中的自质子传导材料，以及浸入到所述多孔衬底中的离子导体。