CN101346314A - 新的金属(ⅲ)-铬-磷酸盐配合物及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由通式M(III)xCr(HPO4)y(H2PO4)z表示的金属(III)－铬－磷酸盐配合物及其用途。更具体而言，本发明公开了包含所述配合物的有机/无机复合电解质膜；包含所述配合物的电极；包括所述有机/无机复合电解质膜和/或电极的膜电极组件(MEA)；以及包括所述膜电极组件的燃料电池。

Description

新的金属(Ⅲ)-铬-磷酸盐配合物及其用途
技术领域
本发明涉及一种由通式M(III)x Cr(HPO4)y(H2PO4)z表示的金属(III)-铬-磷酸盐(在下文中有时称“MCP”)配合物及其用途，且更具体而言，涉及包含所述配合物的有机/无机复合电解质膜；包含所述配合物的用于燃料电池的电极；包括所述有机/无机复合膜和/或所述电极的用于燃料电池的膜电极组件(MEA)；以及包括所述膜电极组件的燃料电池。
背景技术
燃料电池是将燃料的化学能直接转化成电能的能量转化装置，并且由于高能效和如低污染物排放的环境友好的性质，已经被研究和开发作为下一代能源资源。
使用氢作为燃料的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)可在宽温度范围中工作，因此具有无需冷却装置和可以简化密封件的优点。同样，其使用非加湿氢(non-humidified hydrogen)作为燃料，因此无需使用加湿器。另外，其可迅速驱动。由于这些优点，其作为汽车和家用能源装置受到了关注。此外，它是一种电流密度比如直接甲醇燃料电池的其它类型燃料电池的电流密度高的高输出燃料电池，可在宽温度范围中工作，并且具有结构简单和迅速起动和反应的特点。
作为用于这种高温燃料电池的聚合物电解质膜，一般已知基于多唑的聚苯并咪唑的CelazoleTM。使用聚苯并咪唑聚合物电解质膜的燃料电池通常使用非加湿氢作为燃料在高于100℃、特别120℃的温度下驱动。因此，如上所述，其具有如下优点：无需冷却装置、简化密封件、排除了加湿器的使用以及增强了膜电极组件(MEA)中存在的基于贵金属的催化剂的活性。
通常，当使用处理后的如天然气的烃化合物作为燃料时，在处理后的气体中包含大量一氧化碳。因此，当通过后处理或纯化步骤没有除去处理气体中的一氧化碳时，它将使催化剂中毒，导致燃料电池的性能明显下降。然而，使用基于多唑的聚合物电解质膜的燃料电池可在高温下驱动，以使由一氧化碳引起的催化剂中毒减到最小。因此，在该燃料电池中，允许高浓度一氧化碳杂质。
尽管已知许多优点，聚苯并咪唑(PBI)，一种多唑聚合物(polyazolepolymer)，显示了比目前商业化高氟化树脂(NafionTM)的氢离子电导率(10-1S/cm)低的氢离子电导率。为了增加聚苯并咪唑的氢离子电导率，通过向聚苯并咪唑中加入高氢离子电导率的无机金属材料以制备复合电解质膜的研究正在积极的进行中。其几种实例如下。
P.Staiti等(Journal of Power Sources 2001，VoI 94，9)公开了一种向二甲基乙酰胺中的聚苯并咪唑溶液中加入杂多酸PWA(磷钨酸)/SiO2和SiWA(硅钨酸)/SiO2之后制备复合电解质膜的方法。然而，使用该方法制备的复合电解质膜在温度高于100℃、100％相对湿度条件中显示了约10-3S/cm的低氢离子电导率。该值不能满足燃料电池工作中所需的非加湿条件和氢离子电导率。
同样，WO 2004/074179A1和N.J.Bjerrum等(Journal of MembraneScience 2003，Vol 226，169-184)公开了一种向二甲基乙酰胺中的聚苯并咪唑溶液中加入ZrP(磷酸锆)之后制备复合电解质膜的方法。使用该方法制备的复合电解质膜在140℃的温度、20％的相对湿度条件中显示了5×10-2S/cm的氢离子电导率，以及在5％的相对湿度条件和200℃的温度下显示了10-1S/cm的高氢离子电导率。然而，这些值不适合燃料电池所需的在宽温度范围和非加湿条件中应满足高氢电导率的性质。同样，包含加入至聚苯并咪唑中的PWA和SiWA的复合电解质膜在高于120℃的温度、5％的相对湿度条件中显示了比聚苯并咪唑电解质膜本身的氢离子电导率值稍微低的氢离子电导率值。
此外，Y.Yamazaki等(Journal of Power Sources 2005，Vol.139，2-8)公开了一种向二甲基乙酰胺中的聚苯并咪唑溶液中加入三羧基丁烷磷酸锆之后制备复合电解质膜的方法。使用该方法制备的复合电解质膜在100％的相对湿度条件和80～200℃的相对宽温度范围内显示了10-2S/cm的稳定的氢离子电导率值，但是不能满足燃料电池工作中所需的非加湿条件。
另外，J.A.Asensio等(Electrochimica Acta 2005，Vol 50，4715-4720)公开了一种向甲磺酸中的聚苯并咪唑溶液中加入磷钼酸(杂多酸)之后制备复合电解质膜的方法。该电解质膜在非加湿条件和120～200℃的相对宽温度范围内显示了10-2S/cm的稳定氢离子电导率值，但是该离子电导率值没有达到目前商业化基于Nafion的电解质膜的氢离子电导率(10-1S/cm)。
此外，为了赋予高氢离子电导率，在所述文献中公开的有机/无机复合电解质膜需要单独的掺杂酸(磷酸、硫酸等)的后处理步骤，而形成的电解质膜在多唑聚合物、强酸和无机金属材料之间显示出非最优化的形态。因此，在高温下掺杂的强酸容易从电解质膜中分离，引起该膜的离子电导率随工作时间的流逝迅速下降。
发明内容
技术问题
因此，本发明的目的是解决现有技术中出现的上述问题和现有技术中已经提出的技术问题。
具体地，本发明的第一目的是提供一种新的金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物，所述金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物具有多种优点，例如，它在宽温度范围和非加湿条件下显示了高氢离子电导率。
本发明的第二目的是提供一种有机/无机复合电解质膜，所述有机/无机复合电解质膜通过向作为基质成分的有机聚合物中加入所述MCP配合物而制备，所以其在包括高温的宽温度范围内和非加湿条件下显示了高氢离子电导率，其无需后处理步骤并且随工作时间的流逝其离子电导率显示了较低的下降。
本发明的第三目的是提供一种用于燃料电池的电极，所述用于燃料电池的电极通过在气体扩散层上涂覆所述MCP配合物和基于贵金属的催化剂、粘合剂等而制备，所以其在包括高温的宽温度范围内和非加湿条件下显示了高氢离子电导率，同时显示了增强的催化剂活性。
本发明的第四目的是提供一种至少包括所述有机/无机复合膜或电极的膜电极组件(MEA)。
本发明的第五目的是提供一种包括所述膜电极组件的性能改进的燃料电池。
技术方案
为实现上述目的，本发明提供一种由以下通式(1)表示的金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物：
M(III)xCr(HPO4)y(H2PO4)z    (1)
其中，M为第IIIA族和/或第IIIB族金属；x为3n(n＝1或2)；y为3n′(n′＝0、1或2)；z为3n″(n″＝0、1或2)，n′和n″中至少之一不为零。
根据另一技术方案，本发明提供一种有机/无机复合电解质膜，所述有机/无机复合电解质膜包含：有机聚合物；在所述有机聚合物的基质上分散的所述由通式(1)表示的金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物。
根据又一技术方案，本发明提供一种包含所述由通式(1)表示的金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物的用于燃料电池的电极。
根据又一技术方案，本发明提供一种用于燃料电池的膜电极组件(MEA)，所述用于燃料电池的膜电极组件包括阴极、阳极和设置在所述阴极与所述阳极之间的电解质膜，其中，(i)所述电解质膜为根据本发明所述的有机/无机复合电解质膜，和/或(ii)所述阴极和/或所述阳极为根据本发明所述的电极。
根据又一技术方案，本发明提供一种包括所述膜电极组件的燃料电池。
附图说明
结合附图，通过下列详细描述，本发明的前述和其它目的、特征和优点将变得更加明显，其中：
图1为显示在实施例4和比较实施例1中制备的各复合电解质膜的氢离子电导率随温度变化的图。
具体实施方式
现将详细描述本发明的优选实施方式。
根据本发明的金属(III)-铬-磷酸盐配合物为由以下通式(1)表示的物质：
M(III)xCr(HPO4)y(H2PO4)z    (1)
其中，M为第IIIA族和/或第IIIB族金属；x为3n(n＝1或2)；y为3n′(n′＝0、1或2)；z为3n″(n″＝0、1或2)，n′和n″中至少之一不为零。
所述MCP配合物本身为新的，如以下详述，其具有如下许多优点：例如，它在宽温度范围内和非加湿条件下显示了高氢离子电导率并且当使其与有机聚合物反应时形成稳定的形态。因此，可优选在如燃料电池的电化学装置中使用它。
上述通式(1)中的M可选自以下金属：例如，第IIIA族金属，包括B、Al、Ga、In和Ti；以及第IIIB族金属，包括Sc、Y和Lu；并且在一些情况下，可使用所述金属元素中的两种或更多种的组合。在它们之中，特别优选Al。
可使用多种方法制备根据本发明的MCP配合物。例如，其可通过使(i)金属氢氧化物(M(OH)3)和/或金属氧化物(M2O3)和(ii)铬的氧化物(CrO3)与(iii)多磷酸(Hn+2PnO3n+1，n＝不小于1的整数)反应而制备。优选地，其可通过在惰性气氛下向磷酸(H3PO4)溶液中加入金属氢氧化物和氢氧化铬并且在40～100℃、且优选50～80℃的温度使混合物溶液反应而制备。如果优选所述MCP配合物以液相存在，以用作稍后描述的电解质膜或电极的原料，其也可通过在其制备反应期间使用过量磷酸溶液或者在反应之后加入另外的磷酸溶液而制成MCP配合物溶液。
根据本发明的有机/无机复合电解质膜包含：有机聚合物；以及在所述有机聚合物的基质上分散的所述由通式(1)表示的金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物。
根据本发明的有机/无机复合电解质膜显示了极好的耐化学性和热稳定性，并且在有机聚合物与MCP配合物之间具有稳定的氢离子导电通道。因此，它甚至在包括例如200℃的宽温度范围内和非加湿条件下也显示了高氢离子电导率。该氢离子电导率约为0.01～0.8S/cm，其高于在非加湿条件下和宽温度范围内的现有电解质膜的氢离子电导率，并且达到了Nafion的氢离子电导率标准。
在本发明中可使用的有机聚合物的实例包括：PTFE(聚四氟乙烯)；PVDF(聚偏1，1-二氟乙烯)；基于Nafion的聚合物；基于PA(聚酰胺)的聚合物；基于PI(聚酰亚胺)的聚合物；基于PVA(聚乙烯醇)的聚合物；基于PAE(聚芳撑醚(polyaryleneether))的聚合物；以及基于多唑(polyazole)的聚合物，其可单独或者以其两种或多种的混合物使用。尤其，为了在有机聚合物与MCP配合物之间形成更稳定的氢离子导电通道，优选使用含有至少一种选自由磺酸基、磷酸基、羟基和羧酸基组成的组中的氢离子交换基团的有机聚合物。
在所述复合电解质膜中，所述MCP配合物的含量范围没有特别限定，只要其范围在形成膜时可呈现出如上所述的高氢离子电导率。例如，基于100重量份的有机聚合物，可以0.1～1000重量份且优选50～500重量份的量使用所述MCP配合物。
除上述成分之外，所述有机/无机复合电解质膜可包含本领域已知的其它常规成分和添加剂。所述有机/无机复合电解质膜的厚度也没有特别限定，并且可将其控制在改进燃料电池的性能和安全的范围内。
可以根据本领域已知常规方法制备根据本发明的有机/无机复合电解质膜。例如，其可通过包括以下步骤的方法制备：(i)将所述有机聚合物或其溶液与所述MCP配合物或其溶液混合以制备混合物；和(ii)使所述混合物形成膜，然后交联和/或固化所述膜。
在所述步骤(i)中，为了确保均匀混合以及随后易于除去溶剂，溶解有机聚合物的溶剂优选具有与所用聚合物的溶解度指数相似的溶解度指数和低沸点。然而，本发明的范围并不限于此，并且可以使用本领域的任何常规溶剂。溶解有机聚合物的溶剂的非限定性实例包括N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲亚砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、磷酸、多磷酸等。
例如，通过在如玻璃板的基板上涂覆并固化所述配合物，然后从基板上分离电解质膜而完成所述使所述混合物形成膜，然后交联和/或固化所述膜的步骤(ii)。
在基板上涂覆所述混合物的方法可为现有技术中已知的常规方法。例如，其可以为浸渍涂布法、挤压涂布法(die coating)、辊涂法、刮刀式涂布法(comma coating)、刮涂法或其组合。
更具体地，在根据本发明的电解质膜的一个优选制备方式中，所述电解质膜可通过以下步骤制备：使用过量的多磷酸和磷酸制备有机聚合物溶液；向该有机聚合物溶液中加入所述MCP配合物；在100～200℃搅拌该混合物一定时间；向搅拌过的混合物中加入额外量的多磷酸和磷酸以产生适当的粘度；使该混合物溶液形成膜；以及在30～50％的相对湿度下引起多磷酸水解以除去过量的磷酸。
为了引起其交联和/或固化，保持所述电解质膜在100～250℃下1～20小时，从而可得到有机聚合物中的MCP配合物的稳定形态。
根据本发明的用于燃料电池的电极包含：所述有机聚合物；以及所述由通式(1)表示的金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物。根据本发明的用于燃料电池的电极为一种通过催化剂的作用而引起电化学反应的电极，并且其实例包括阴极和阳极。
例如，所述电极可通过以下步骤制备：在由如碳纸或碳布制成的气体扩散层(GDL)上涂覆所述MCP配合物溶液、基于贵金属的催化剂、粘合剂和溶剂，接着交联和/或固化。所述基于贵金属的催化剂的实例包括Pt、W、Ru、Mo和Pd，其可为在碳上负载的形式。
所述粘合剂为使催化剂与MCP配合物固定并连结到气体扩散层上的成分，并且可使用本领域已知的常规氢离子导电聚合物作为粘合剂。具体地，该粘合剂可为可被包含作为电解质膜成分的聚合物。其非限定性实例包括聚四氟乙烯(PTFE)、氟乙烯共聚物、Nafion等，但本发明的范围并不限于此。
特别地，为了在电极催化剂与MCP配合物之间形成稳定的氢离子导电通道，所述粘合剂优选为含有至少一种选自由磺酸基、磷酸基、羟基和羧酸基组成的组中的氢离子交换基团的有机聚合物。
在电极制备中所用的溶剂的非限定性实例包括水、丁醇、异丙醇(IPA)、甲醇、乙醇、正丙醇、乙酸正丁酯和乙二醇，并且这些溶剂可单独或者以两种或更多种的混合物使用。
由于在粘合剂(有机聚合物)与MCP配合物之间形成了稳定的氢离子导电通道，根据本发明的用于燃料电池的电极在宽温度范围内和非加湿条件下显示了高氢离子电导率，并且由于在MCP配合物中包含铬而具有提高的催化剂活性。
所述MCP配合物的含量没有特别限定，只要其含量能够通过涂覆到气体扩散层上而形成电极，并且可以显示如上所述的优异的性质。例如，基于100重量份的粘合剂，可以0.1～1000重量份且优选50～400重量份的量加入所述MCP配合物。
同样，根据本发明的膜电极组件包括阴极、阳极和设置在所述阴极与所述阳极之间的电解质膜，其中，(i)电解质膜为所述根据本发明的有机/无机复合电解质膜，和/或(ii)阴极和/或阳极为所述根据本发明的电极。
所述用于燃料电池的膜电极组件由如下结构组成：其中显示阳离子电导率的电解质膜与包含用于电化学反应的催化剂的电极组装在一起。在燃料电池中，所述膜电极组件为一关键结构。
根据本发明，电解质膜和电极中至少之一包含所述MCP配合物，从而提供在宽温度范围内和非加湿条件下具有优异工作特性的膜电极组件。
在本发明的一个优选实施方式中，所述膜电极组件可通过使包含所述MCP配合物的阴极、阳极和设置在两者之间的电解质膜彼此紧密接触，然后在100～400℃交联和/或固化所形成的结构而准备。
具体地，制造所述膜电极组件的方法可包括如下步骤：
(a)制备MCP配合物溶液；
(b)使用所述MCP配合物溶液和作为基质成分的有机聚合物溶液制备有机/无机复合电解质膜；
(c)在碳纸或碳布上涂覆所述MCP配合物溶液、基于贵金属的催化剂、粘合剂和溶剂的混合物而制备电极；以及
(d)使所述电解质膜与电极彼此紧密接触，并且在100～400℃交联和/或固化所形成的结构。
在步骤(d)中，特别优选的交联和/或固化温度范围为150～250℃。
根据本发明的燃料电池包括所述膜电极组件。
根据本发明的燃料电池甚至在高温非加湿条件下也显示了高氢离子电导率，因此可特别优选用作使用非加湿的氢作为燃料的燃料电池。
燃料电池的其它结构和制造方法在本领域是已知的，因此此处将省略其说明。同样，本发明中膜电极组件的结构的其它具体内容为本领域已知的，因此，即使此处没有给出单独说明，所述膜电极组件将是完全可重复的。
为了更好地理解本发明，在下文中，将描述优选实施例。然而，应该理解，这些实施例仅为说明性的并且本发明的范围并不限于此。
实施例
实施例1：聚对苯并咪唑(polyparabenzimidazole)共聚物的制备
事先在80℃真空中干燥用于聚合反应的对苯二甲酸和3，3′，4，4′-四氨基联苯(3，3′，4，4′-tetraaminobiphenyl)至少24小时。而且，使用JUNSEI提供的多磷酸(P2O5：85％，H3PO4：115％)作为溶剂。
在氮气气氛下，将80g多磷酸加入装备有搅拌器的反应器中，并且升高该反应器的温度至170℃以易于搅拌该多磷酸。然后，向该多磷酸中加入3.000g(9.334mmol)3，3′，4，4′-四氨基联苯和2.326g(9.334mmol)对苯二甲酸，并且搅拌该混合物48小时。然后，另外向该溶液中加入80g多磷酸和磷酸，并且搅拌以降低该溶液的粘度。结果，制备聚(2，2-对-(亚苯基)-5，5-二苯并咪唑)(poly(2，2-p-(phenylene)-5，5-bibenzimidazole)的多磷酸溶液。
实施例2：铝-铬-磷酸盐配合物的制备
在85％磷酸溶液中使用Al(OH)3和CrO3以制备Al(OH)3∶CrO3∶H3PO4＝3∶1∶9(摩尔比)的铝-铬-磷酸盐配合物。为此目的，向85％磷酸溶液中加入Al(OH)3，并且在80℃溶解20分钟直到形成清液。然后，向其中加入CrO3并且搅拌该混合物1小时，同时向其中缓慢加入甲醇，从而制备铝-铬-磷酸盐配合物[Al3Cr(HPO4)3(H2PO4)6]。
实施例3：聚对苯并咪唑/铝-铬-磷酸盐复合材料的制备
向100g实施例1中制备的15wt％的聚对苯并咪唑多磷酸溶液中加入10g实施例2中制备的铝-铬-磷酸盐。在150℃搅拌该混合物6小时，从而制备约50wt％的聚对苯并咪唑/铝-铬-磷酸盐复合材料的溶液。
实施例4：聚苯并咪唑/铝-铬-磷酸盐的有机/无机复合电解质膜(样 品1)的制备
向实施例3中制备的聚苯并咪唑/铝-铬-磷酸盐复合溶液中另外加入30g多磷酸和磷酸，然后根据直接倾注溶液的方法将该溶液制成膜。为此目的，在使用前，加热刮刀和用作支撑的玻璃板至约200℃。在加热过的支撑上倾注该复合溶液，然后使用加热过的刮刀将该复合溶液涂覆至给定厚度。在80℃标准恒定温度/湿度的室中储存该涂有复合溶液的玻璃板约2小时以广泛展开该溶液。然后，控制该溶液至40％的相对湿度以引起多磷酸的水解。然后，用大约2～3天缓慢降低该溶液的温度至40℃，同时增大其相对湿度至80％，并且同时，根据情况除去由多磷酸水解产生的过量的磷酸和水。最后，从支撑上分离形成的复合电解质膜。
其后，在空气气氛和常压下，在200℃热处理所述复合电解质膜12小时，以交联和固化该电解质膜的铝-铬-磷酸盐，从而制备聚苯并咪唑/铝-铬-磷酸盐的有机/无机复合电解质膜(样品1)。
比较实施例1：聚苯并咪唑电解质膜(样品2)的制备
除了使用实施例1中制备的聚对苯并咪唑的多磷酸溶液代替实施例3中制备的聚苯并咪唑/铝-铬-磷酸盐复合溶液之外，以与实施例4相同的方法制备电解质膜(样品2)。
实施例5：包含铝-铬-磷酸盐配合物的电极的制备
以Pt/C∶H2O∶PTFE∶MCP∶IPA＝1∶3∶6∶10∶100的重量比彼此混合实施例2中制备的铝-铬-磷酸盐(MCP)配合物溶液、催化剂(Pt/C)、蒸馏水、60％的聚四氟乙烯(PTFE)溶液和IPA(异丙醇)，并且搅拌。然后在碳布的气体扩散层(GDL)上涂覆该混合物，并且在300℃交联和固化3小时，从而制备电极。
实验
以下列方法测量在实施例4和比较实施例1中各制备的复合电解质膜样品的性质，并且测量结果如下表1和图1所示。
实验1：磷酸掺杂浓度的测量
使用中和滴定法测量电解质膜的酸掺杂浓度。在300ml蒸馏水中煮沸1g制备的电解质膜以从该膜中提取掺杂的磷酸，并且用0.1NNaOH标准溶液滴定该提取的磷酸以计算磷酸的摩尔数。在120℃真空温箱中干燥已经除去磷酸的电解质膜至少24小时，然后测量其重量。根据以下等式1计算每聚合物的咪唑单元掺杂磷酸的数目、掺杂浓度，并且计算结果如下表1中所示。
[公式1]
Figure A20068004914900181
其中，掺杂磷酸的摩尔数为滴定中所用的0.1N NaOH的摩尔数。
实验2：机械强度的测量
使用Zwick UTM测量各电解质膜样品的强度性能。在室温和25％的湿度条件中，将各电解质膜样品制成满足ASTM D-882(塑料薄片的拉伸性能的标准试验方法)要求的狗骨形膜(dog bone-shaped film)。以50mm/分钟的十字头速度测量制备的膜的拉伸强度5次，并且测量的拉伸强度的平均值显示于下表1中。
实验3：氢离子电导率的测量
用ZAHNER IM-6阻抗分析仪，通过恒电位两探针法在20～200℃的温度及非加湿条件下在1Hz～1MHz的频率范围内测量各样品的离子电导率。测量结果如图1中所示。
表1
 电解质膜   磷酸掺入浓度   外观特性   断裂应力(MPa)   应变(％)
 样品1(实施例4)   3.4   透明；优异的机械强度   24.1   260
 样品2(比较实施例1)   4.6   透明；优异的机械强度   26.7   180
从上表1中可以看出，比较实施例1(样品2)显示了高于实施例4(样品1)的磷酸掺杂浓度。本领域已知，磷酸掺杂浓度有助于阳离子电导率。
然而，如图1中所示，实施例4(样品1)的氢离子电导率高于比较实施例1的，这说明在电解质膜中包含的铝-铬-磷酸盐有助于提高氢离子电导率。
工业实用性
如上所述，根据本发明的金属(III)-铬-磷酸盐配合物和使用所述配合物的有机/无机复合电解质膜及用于燃料电池的电极在包括高温的宽温度范围内和非加湿条件下显示了高氢离子电导率，无需用强酸等的后处理步骤，具有优异的耐化学性和热稳定性，随工作时间的流逝其离子电导率的下降低，以及由于其中包含铬而显示了提高的催化剂活性。
虽然为了说明性目的已经描述了发明的优选实施方式，但是本领域的技术人员应该理解没有偏离所附权利要求书中公开的本发明的范围和实质的各种修改、添加和替代是可以的。

Claims (16)

1、一种金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物，其由如下通式(1)表示：
M(III)xCr(HPO4)y(H2PO4)z(1)
其中，M为第IIIA族和/或第IIIB族金属；x为3n，n＝1或2；y为3n′，n′＝0、1或2；z为3n″，n″＝0、1或2；n′和n″中至少之一不为零。
2、如权利要求1所述的MCP配合物，其中，通式(1)中的M为Al。
3、如权利要求1所述的MCP配合物，该MCP配合物通过使(i)金属氢氧化物(M(OH)3)和/或金属氧化物(M2O3)和(ii)铬的氧化物(CrO3)与(iii)多磷酸反应而制备，其中所述多磷酸的通式为Hn+2PnO3n+1，n＝1或更大的整数。
4、一种有机/无机复合电解质膜，其包含：有机聚合物；和在所述有机聚合物的基质上分散的由如下通式(1)表示的金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物：
M(III)xCr(HPO4)y(H2PO4)z(1)
其中，M为第IIIA族和/或第IIIB族金属；x为3n，n＝1或2；y为3n′，n′＝0、1或2；z为3n″，n″＝0、1或2；n′和n″中至少之一不为零。
5、如权利要求4所述的有机/无机复合电解质膜，其中，所述有机聚合物为选自由PTFE(聚四氟乙烯)、PVDF(聚偏1，1-二氟乙烯)、Nafion聚合物、PA(聚酰胺)聚合物、PI(聚酰亚胺)聚合物、PVA(聚乙烯醇)聚合物、PAE(聚芳撑醚)聚合物和多唑聚合物组成的组中的至少一种。
6、如权利要求4所述的有机/无机复合电解质膜，其中，所述有机聚合物包含选自由磺酸基、磷酸基、羟基和羧酸基组成的组中的至少一种氢离子交换基团。
7、如权利要求4所述的有机/无机复合电解质膜，其中，基于100重量份的有机聚合物，所述MCP配合物的含量为0.1～1000重量份。
8、如权利要求4所述的有机/无机复合电解质膜，该电解质膜通过包括以下步骤的方法制备：
(i)将所述有机聚合物或其溶液与所述MCP配合物或其溶液混合以制备混合物；和
(ii)使所述混合物形成膜，然后交联和/或固化所述膜。
9、一种用于燃料电池的电极，其包含由如下通式(1)表示的金属(III)-铬-磷酸盐(MCP)配合物：
M(III)xCr(HPO4)y(H2PO4)z(1)
其中，M为第IIIA族和/或第IIIB族金属；x为3n，n＝1或2；y为3n′，n′＝0、1或2；z为3n″，n″＝0、1或2；n′和n″中至少之一不为零。
10、如权利要求9所述的电极，该电极通过在气体扩散层上涂覆MCP配合物溶液、基于贵金属的催化剂、粘合剂和溶剂，接着交联和/或固化而制备。
11、如权利要求9所述的电极，其中，基于100重量份的粘合剂，所述MCP配合物的用量为0.1～1000重量份。
12、如权利要求10所述的电极，其中，所述粘合剂为包含至少一种选自由磺酸基、磷酸基、羟基和羧酸基组成的组中的氢离子交换基团的有机聚合物。
13、一种用于燃料电池的膜电极组件(MEA)，其包括阴极、阳极和设置在该阴极与阳极之间的电解质膜，其中，(i)所述电解质膜为权利要求4～8中任一项所述的有机/无机复合电解质膜，和/或(ii)所述阴极和阳极中至少之一为权利要求9～12中任一项所述的电极。
14、如权利要求13所述的膜电极组件(MEA)，该膜电极组件通过使所述阴极、所述阳极和所述设置在两者之间的电解质膜彼此紧密接触，并且在100～400℃的温度下交联和/或固化所形成的结构而制备。
15、一种燃料电池，其包括根据权利要求13所述的膜电极组件。
16、如权利要求15所述的燃料电池，该燃料电池使用非加湿氢作为燃料。
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