[发明专利]聚合物电解质膜、其制备方法和包括所述聚合物电解质膜的膜电极组件

说明书

本申请公开了一种聚合物电解质膜、其制备方法和包括所述聚合物电解质膜的膜‑电极组件。所述聚合物电解质膜包括：具有多个孔的多孔载体；第一层，该第一层包含填充邻接所述多孔载体的一个表面的孔的第一离子导体；和第二层，该第二层包含填充邻接所述多孔载体的另一表面的孔的第二离子导体，其中，所述第一离子导体与所述第二离子导体彼此不同，并且选自第一层、第二层和它们的组合中的一种包含有机类抗氧化剂。所述聚合物电解质膜的形状稳定性优异，并且所述聚合物电解质膜对其工作过程中产生的自由基具有改善的耐性。因此，所述聚合物电解质膜表现出对自由基的高稳定性，即，高化学稳定性。另外，聚合物电解质膜的氢透过性降低的同时离子传导性优异。

技术领域

本公开涉及一种聚合物电解质膜、其制备方法和包括所述聚合物电解质膜的膜-电极组件，并且更具体地，涉及一种聚合物电解质膜、其制备方法和包括所述聚合物电解质膜的膜-电极组件，所述聚合物电解质膜的形状稳定性优异并且对其操作过程中产生的自由基具有改善的耐性，由此所述聚合物电解质膜表现出对自由基的高稳定性，即，高化学稳定性，并且聚合物电解质膜的氢透过性降低同时离子传导性优异。

背景技术

燃料电池是包括发电系统的电池，用于通过烃类燃料物质例如甲醇、乙醇、或天然气中包含的氢和氧的氧化/还原反应将化学反应能直接转化为电能，由于其环境友好特性例如高能量效率和减少的污染物排放，作为能够替代化石能源的下一代清洁能源而引起关注。

燃料电池的优点在于，将单元电池堆叠以构成堆，从而可以提供各种水平的电力。另外，燃料电池的能量密度高达小型锂电池的能量密度的4至10倍，因此，燃料电池作为小型移动电源而引起关注。

实质发电的燃料组件的堆具有数个至数十个单元电池堆叠的结构，每个单元电池包括膜-电极组件(MEA)和隔板(也称为双极板)。膜-电极组件通常被配置成具有以下结构：氧化电极(阳极或燃料电极)和还原电极(阴极或空气电极)形成在电极膜的相对侧，处于电极膜设置在它们之间的状态。

根据电解质的状态和种类，燃料电池可以分为碱性电解质膜燃料电池或聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)。聚合物电解质膜燃料电池由于其低于100℃的低工作温度、快速的启动和响应特性和出色的耐久性而作为移动电源、车辆用电源和家用电源引起关注。

聚合物电解质膜燃料电池的代表性实例可以包括使用氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)和使用液体甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)。

将简要描述在聚合物电解质膜燃料电池中发生的反应。首先，当将诸如氢气的燃料供应到氧化电极时，由于氢的氧化反应，在氧化电极处产生质子(H⁺⁾和电子(e^-)。产生的质子经聚合物电解质膜传输到还原电极，产生的电子经外部电路传输到还原电极。从还原电极供应氧，并且氧与质子和电子结合，从而通过氧的还原反应生成水。

同时，为了实现聚合物电解质膜燃料电池的商业应用，存在许多要解决的技术问题。特别地，需要实现高性能、长寿命和聚合物电解质膜燃料电池价格的降低。对其产生最大影响的元件是膜-电极组件。特别地，聚合物电解质膜是对MEA的性能和价格产生最大影响的核心元件之一。

操作聚合物电解质膜燃料电池所需要的聚合物电解质膜的要求包括高质子传导性、高化学稳定性、低燃料透过性、高机械强度、低水分含量和优异的尺寸稳定性。常规的聚合物电解质膜在特定温度和相对湿度条件下，特别是在高温/低湿度条件下，往往不能正常实现高性能。因此，应用常规聚合物电解质膜的聚合物电解质膜燃料电池在燃料电池能够应用的范围内受到限制。

在现有的燃料电池中通常使用的用于传输的由全氟类聚合物材料制成的聚合物电解质膜，对在其操作过程中产生的自由基具有低耐性，从而对自由基的稳定性，即，化学稳定性低。另外，传输质子的路径宽，从而质子传导性高；然而，用作燃料的氢的透过性高。特别地，对于需要高的长期稳定性的用于商业运输例如公共汽车和卡车的燃料电池，需要能够克服上述缺点的高耐久性聚合物电解质膜。