CN107615545B - 聚合物电解质膜、包括其的膜电极组件和包括该膜电极组件的燃料电池 - Google Patents

聚合物电解质膜、包括其的膜电极组件和包括该膜电极组件的燃料电池 Download PDF

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Abstract

本说明书涉及一种聚合物电解质膜、包括该聚合物电解质膜的膜电极组件和包括该膜电极组件的燃料电池。

Description

聚合物电解质膜、包括其的膜电极组件和包括该膜电极组件 的燃料电池
技术领域
本申请要求于2015年11月26日提交到韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2015-0166726和于2016年6月20日提交到韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2016-0076753的优先权和权益，这两项申请的全部内容通过引用并入本申请中。
本申请涉及一种聚合物电解质膜、包括其的膜电极组件和包括所述膜电极组件的燃料电池。
背景技术
随着最近关于诸如石油和煤炭的现有能源的枯竭的预测，对能够替代这些现有能源的替代能源的兴趣已经增长。作为这种替代能源之一，燃料电池以高效、不排放诸如NOx和SOx的污染物并且具有充足的燃料以供使用的优点已经受到关注。
燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学反应能转换为电能的发电系统，并且使用氢气、甲醇和诸如丁烷的烃作为燃料，通常使用氧气作为氧化剂。
燃料电池包括聚合物电解质膜型燃料电池(PEMFC)、直接甲醇型燃料电池(DMFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、碱型燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)等。
发明内容
技术问题
本说明书旨在提供一种聚合物电解质膜、包括该聚合物电解质膜的膜电极组件和包括该膜电极组件的燃料电池。
技术方案
本说明书的一个实施方案提供一种聚合物电解质膜，包括：包含第一陶瓷粒子的第一聚合物层；以及设置在所述第一聚合物层上并且包含第二陶瓷粒子的第二聚合物层，其中，所述第一陶瓷粒子和所述第二陶瓷粒子具有不同的表面性能。
本说明书的另一实施方案提供一种膜电极组件，包括：阳极；阴极；以及设置在所述阳极和所述阴极之间的所述聚合物电解质膜。
本说明书的又一实施方案提供一种包括所述膜电极组件的燃料电池。
有益效果
在根据本说明书的一个实施方案的燃料电池中，水容易控制(managed)在低湿度条件下。
在根据本说明书的一个实施方案的燃料电池中，在低湿度条件下电池性能有利。
附图说明
图1是示出燃料电池的发电原理的示意图；
图2是示意性地示出膜电极组件的结构的图；
图3是示意性地示出燃料电池的一个实例的图；
图4是示出根据本说明书的第一实施方案的膜电极组件的结构的图；
图5是示出根据本说明书的第二实施方案的膜电极组件的结构的图；
图6是示出根据本说明书的第三实施方案的膜电极组件的结构的图；
图7是示出根据本说明书的第四实施方案的膜电极组件的结构的图；
图8是示出根据本说明书的第五实施方案的膜电极组件的结构的图；
图9示出了在50％的相对湿度(RH)的条件下，燃料电池中根据实施例和比较例的聚合物电解质膜的电压随电流密度的变化；
图10示出了在50％的相对湿度(RH)的条件下，燃料电池中根据实施例和比较例的聚合物电解质膜在0.6V下的电流密度值。
具体实施方式
下文中，将详细描述本说明书。
本说明书提供一种聚合物电解质膜，包括：包含第一陶瓷粒子的第一聚合物层；以及设置在所述第一聚合物层上并且包含第二陶瓷粒子的第二聚合物层。
第一聚合物层可以包含第一陶瓷粒子，更具体地，第一聚合物层可以包含第一陶瓷粒子和第一离子导电聚合物。
第一聚合物层的厚度可以大于或等于500nm且小于或等于30μm。
第二聚合物层可以包含第二陶瓷粒子，更具体地，第二聚合物层可以包含第二陶瓷粒子和第二离子导电聚合物。
第二聚合物层的厚度可以大于或等于500nm且小于或等于30μm。
所述聚合物电解质膜还可以包括第三聚合物层，该第三聚合物层设置在所述第一聚合物层和所述第二聚合物层之间，并且包含多孔载体和设置在该多孔载体的孔的内部的电解质聚合物。
所述电解质聚合物可以与第一聚合物层的第一离子导电聚合物以及第二聚合物层的第二离子导电聚合物相同或不同。所述电解质聚合物可以包含第一聚合物层的第一离子导电聚合物和第二聚合物层的第二离子导电聚合物中的至少一种聚合物。
当第一聚合物层的第一离子导电聚合物和第二聚合物层的第二离子导电聚合物彼此不同时，电解质聚合物可以包含第一聚合物层的第一离子导电聚合物和第二聚合物层的第二离子导电聚合物两者。
当第一聚合物层的第一离子导电聚合物和第二聚合物层的第二离子导电聚合物彼此相同时，电解质聚合物可以与第一聚合物层的第一离子导电聚合物和第二聚合物层的第二离子导电聚合物相同。
第三聚合物层的厚度可以大于或等于500nm且小于或等于30μm。
第一聚合物层和第二聚合物层可以是通过使用聚合物电解质组合物采用浇铸方法形成膜而制备的不含多孔载体的层。
当还包括第三聚合物层时，与第一聚合物层和第二聚合物层独立，第三聚合物层可以是通过将聚合物电解质组合物浸渍到多孔载体中而形成的层。
当还包括第三聚合物层时，多孔载体的一个表面浸渍有形成第一聚合物层的聚合物电解质组合物，多孔载体的另一表面，即，与浸渍有形成第一聚合物层的聚合物电解质组合物的表面相对的表面，可以浸渍有形成第二聚合物层的聚合物电解质组合物。
当还包括第三聚合物层时，通过用形成第一聚合物层的聚合物电解质组合物浸渍多孔载体的一个表面，多孔载体的孔的一部分设置有形成第一聚合物层的聚合物电解质组合物，从而在多孔载体的一个表面上可以由形成第一聚合物层的聚合物电解质组合物形成第一聚合物层。此外，通过用形成第二聚合物层的聚合物电解质组合物浸渍多孔载体的另一表面，即，与浸渍有形成第一聚合物层的聚合物电解质组合物的表面相对的表面，多孔载体的孔的一部分设置有形成第二聚合物层的聚合物电解质组合物，从而可以在多孔载体的另一表面上由形成第二聚合物层的聚合物电解质组合物形成第二聚合物层。
根据第一聚合物层和第二聚合物层的离子导电聚合物的类型或者第三聚合物层的电解质聚合物的类型，第一至第三聚合物层可以分别是烃系聚合物电解质膜、部分氟系聚合物电解质膜或氟系聚合物电解质膜。
在本说明书的一个实施方案中，形成第一至第三聚合物层的聚合物电解质组合物可以分别包含溶剂和离子导电聚合物。
离子导电聚合物指具有离子传导性的聚合物，具体地，可以是能够传递氢离子的具有阳离子传导性的聚合物。离子导电聚合物可以是烃系聚合物、部分氟系聚合物或氟系聚合物，并且可以使用本领域中已知的常规材料。
第一聚合物层和第二聚合物层的离子导电聚合物或第三聚合物层的电解质聚合物可以彼此相同或不同，并且可以各自独立地包括选自全氟磺酸(Nafion)、磺化聚醚醚酮、磺化聚酮、磺化聚苯醚、磺化聚苯硫醚、磺化聚砜、磺化聚碳酸酯、磺化聚苯乙烯、磺化聚酰亚胺、磺化聚喹喔啉、磺化(膦酸化)聚磷腈(sulfonated(phosphonated)polyphosphazene)和磺化聚苯并咪唑中的一种或多种类型。
离子导电聚合物的含量可以根据用于所使用的燃料电池的电解质膜所需的适当的离子交换容量(IEC)值来控制。在用于制备用于燃料电池的电解质膜的离子导电聚合物的合成中，可以通过计算离子交换容量的值(IEC，meq./g＝mmol/g)来设计离子导电聚合物。虽然根据需要而变化，但是聚合物含量可以在0.5≤IEC≤3的范围内选择。
离子导电聚合物的重均分子量可以从数万至数百万。具体地，离子导电聚合物的重均分子量可以在大于或等于一万且小于或等于一百万之间选择。
对用于聚合物电解质膜的溶剂没有特别地限制，只要它是能够与聚合物反应并且溶解该聚合物的物质即可，并且可以使用本领域中已知的常规物质。
第一陶瓷粒子和第二陶瓷粒子可以具有彼此不同的表面性能。
第一陶瓷粒子可以是亲水性陶瓷粒子或疏水性陶瓷粒子。优选地，第一陶瓷粒子可以是亲水性陶瓷粒子。
第二陶瓷粒子可以是亲水性陶瓷粒子或疏水性陶瓷粒子。优选地，第二陶瓷粒子可以是疏水性陶瓷粒子。
第一聚合物层的第一陶瓷粒子的含量和第二聚合物层的第二陶瓷粒子的含量可以不同。
第一陶瓷粒子和第二陶瓷粒子是彼此相同或不同的陶瓷粒子，并且第一聚合物层的第一陶瓷粒子的含量和第二聚合物层的第二陶瓷粒子的含量可以不同。
第一陶瓷粒子和第二陶瓷粒子可以是相同的陶瓷粒子，并且第一聚合物层的第一陶瓷粒子的含量和第二聚合物层的第二陶瓷粒子的含量可以不同。
在本说明书中，陶瓷指仅由元素周期表中的非金属元素(例如，氧、氮、硼、碳、硅等)形成或者由非金属元素与金属元素形成的材料。陶瓷可以分为：氧化物陶瓷，其中，非金属元素中的氧与一种或多种金属元素形成离子键或共价键；以及非氧化物陶瓷，其中，非金属元素中除了氧之外的氮、硼、碳、硅等与一种或多种金属元素形成离子键或共价键。
第一陶瓷粒子和第二陶瓷粒子可以分别包括氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷，例如，第一陶瓷粒子和第二陶瓷粒子可以分别包括二氧化硅、氧化铝(Al2O3)、沸石、氧化锆、氮化硅和碳化硅中的至少一种。
第一陶瓷粒子和第二陶瓷粒子可以分别是第一二氧化硅和第二二氧化硅。
所述第一二氧化硅可以是亲水性二氧化硅或疏水性二氧化硅。优选地，第一二氧化硅可以是亲水性二氧化硅。
所述第二二氧化硅可以是亲水性二氧化硅或疏水性二氧化硅。优选地，第二二氧化硅可以是疏水性二氧化硅。
二氧化硅粒子本质上是表面上具有羟基(-OH)的亲水性粒子，因此，亲水性二氧化硅可以是未经表面处理的二氧化硅粒子；通过额外进行表面处理如等离子体处理，提高二氧化硅粒子表面上的羟基含量而制备的亲水性二氧化硅；或者是用除羟基以外的亲水性官能团或亲水性物质处理二氧化硅粒子表面的亲水性二氧化硅。
同时，疏水性二氧化硅可以是通过使疏水性物质与二氧化硅的羟基反应而在二氧化硅表面上提供疏水性的二氧化硅，例如，可以是在二氧化硅表面上使用甲基硅烷将其表面改性为疏水性的二氧化硅。
第一聚合物层的第一二氧化硅的含量和第二聚合物层的第二二氧化硅的含量可以不同。
第一二氧化硅和第二二氧化硅可以是彼此相同或不同的二氧化硅，并且第一聚合物层的第一二氧化硅的含量和第二聚合物层的第二二氧化硅的含量可以不同。
第一二氧化硅和第二二氧化硅可以是相同的二氧化硅，并且第一聚合物层的第一二氧化硅的含量和第二聚合物层的第二二氧化硅的含量可以不同。
当第一二氧化硅和第二二氧化硅都是亲水性二氧化硅时，第一聚合物层的第一二氧化硅的含量可以高于第二聚合物层的第二二氧化硅的含量。
当第一二氧化硅和第二二氧化硅都是疏水性二氧化硅时，第一聚合物层的第一二氧化硅的含量可以低于第二聚合物层的第二二氧化硅的含量。
基于第一聚合物层的总重量，第一陶瓷粒子的含量可以大于或等于1重量％且小于或等于20重量％。
基于第二聚合物层的总重量，第二陶瓷粒子的含量可以大于或等于1重量％且小于或等于20重量％。
当第一聚合物层的第一二氧化硅的含量和第二聚合物层的第二二氧化硅的含量不同时，第一聚合物层的第一二氧化硅的含量与第二聚合物层的第二二氧化硅的含量的差可以大于或等于1重量％且小于或等于10重量％。
本说明书提供一种膜电极组件，包括：阳极；阴极；以及设置在所述阳极和所述阴极之间的聚合物电解质膜。
对于所述膜电极组件，可以使用上面提供的关于聚合物电解质膜的描述。
第一聚合物层设置在阳极上，第二聚合物层设置在阴极上，第一陶瓷粒子可以是亲水性陶瓷粒子，第二陶瓷粒子可以是疏水性陶瓷粒子。这引起水从第二聚合物层向邻接阳极的相对容易干燥的第一聚合物层的反向扩散，导致有效的低湿度水控制(watermanagement)的优点。
第一聚合物层、第三聚合物层、第二聚合物层和阴极连续地设置在阳极上，第一陶瓷粒子可以是亲水性陶瓷粒子，第二陶瓷粒子可以是疏水性陶瓷粒子。这引起水从第二聚合物层向邻接阳极的相对容易干燥的第一聚合物层的反向扩散，导致有效的低湿度水控制的优点，并且具有较强的机械强度的第三聚合物层防止聚合物层由于潮湿和低湿度环境而引起膨胀和收缩，并且阻止反应气体穿过(crossover)，导致提高耐久性的优点。
第一聚合物层、第三聚合物层、第二聚合物层和阴极连续地设置在阳极上，第一陶瓷粒子和第二陶瓷粒子是相同的陶瓷粒子，并且第一聚合物层的第一陶瓷粒子的含量和第二聚合物层的第二陶瓷粒子的含量可以不同。这会引起由两个聚合物层的陶瓷粒子的浓度梯度而得到的水的反向扩散，导致有效的水控制在低湿度条件下。
第一陶瓷粒子和第二陶瓷粒子可以分别是第一二氧化硅和第二二氧化硅。
第一聚合物层设置在阳极上，第二聚合物层设置在阴极上，第一陶瓷粒子可以是亲水性二氧化硅，第二陶瓷粒子可以是疏水性二氧化硅。
第一聚合物层、第三聚合物层、第二聚合物层和阴极连续地设置在阳极上，第一二氧化硅可以是亲水性二氧化硅，第二二氧化硅可以是疏水性二氧化硅。这引起水从第二聚合物层向邻接阳极的相对容易干燥的第一聚合物层的反向扩散，导致有效的低湿度水控制的优点，并且具有较强的机械强度的第三聚合物层防止聚合物层由于潮湿和低湿度环境而引起膨胀和收缩，并且阻止反应气体穿过，导致提高耐久性的优点。
第一聚合物层、第三聚合物层、第二聚合物层和阴极连续地设置在阳极上，第一二氧化硅和第二二氧化硅是相同的二氧化硅，并且第一聚合物层的第一二氧化硅的含量和第二聚合物层的第二二氧化硅的含量可以不同。
当第一二氧化硅和第二二氧化硅都是亲水性二氧化硅时，第一聚合物层的第一二氧化硅的含量可以高于第二聚合物层的第二二氧化硅的含量。相反，当第一二氧化硅和第二二氧化硅都是疏水性二氧化硅时，第一聚合物层的第一二氧化硅的含量可以低于第二聚合物层的第二二氧化硅的含量。这会引起由两个聚合物层的二氧化硅粒子的浓度梯度而得到的水的反向扩散，导致有效的水控制在低湿度条件下。
图1是示意性地示出燃料电池的发电原理的图，在燃料电池中，最基本的发电单元是膜电极组件(MEA)，膜电极组件(MEA)由电解质膜(M)和在该电解质膜(M)的两个表面上形成的阳极(A)与阴极(C)形成。当参照示出了燃料电池的发电原理的图1时，在阳极(A)发生燃料(F)如氢气、甲醇或烃(如丁烷)的氧化反应以生成氢离子(H+)和电子(e-)，并且氢离子通过电解质膜(M)迁移至阴极(C)。在阴极(C)中，通过电解质膜(M)迁移的氢离子、诸如氧气的氧化剂(O)和电子反应生成水(W)。通过这种反应，电子迁移至外部电路。
如图2中所示，膜电极组件可以设置有电解质膜(10)，以及在该电解质膜(10)两侧彼此相对设置的阴极(50)和阳极(51)。具体地，阴极可以包括从电解质膜(10)连续设置的阴极催化剂层(20)和阴极气体扩散层(30)，阳极可以包括从电解质膜(10)连续设置的阳极催化剂层(21)和阳极气体扩散层(31)。
阳极和阴极可以分别包括阳极催化剂层和阴极催化剂层。
阳极催化剂层和阴极催化剂层可以分别包含催化剂和离聚物。
形成阳极催化剂层和阴极催化剂层的各个催化剂油墨可以独立地包含催化剂、离聚物和溶剂。
对催化剂没有特别地限制，只要它能够在燃料电池中起到催化剂的作用即可，并且可以包括铂、过渡金属和铂-过渡金属的合金中的一种。
此处，过渡金属是元素周期表中第3族至第11族的元素，其实例可以包括钌、锇、钯、钼和铑中的任意一种。
具体地，催化剂可以选自铂、钌、锇、铂-钌合金、铂-锇合金、铂-钯合金、铂-钼合金和铂-铑合金，但是不限于此。
催化剂可以以其原有形式使用，或者可以负载在碳基载体上使用。
碳基载体的优选实例可以包括选自石墨、炭黑、乙炔黑、超导电乙炔黑(denkablack)、科琴黑、活性炭、多孔碳、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米角、碳纳米环、碳纳米线、富勒烯(C60)和超级P黑(Super P black)中的任意一种，或者它们中的两种以上的混合物。
离聚物用于为由燃料(如氢气或甲醇)与催化剂之间的反应产生的离子提供迁移至电解质膜的通道。作为离聚物，可以具体地使用全氟磺酸离聚物或磺化聚合物如磺化聚三氟苯乙烯。
作为催化剂油墨中包含的溶剂，可以优选使用选自水、丁醇、异丙醇、甲醇、乙醇、正丙醇、乙酸正丁酯和乙二醇中的任意一种或者它们中的两种以上类型的混合物。
引入催化剂层的过程可以使用本领域中已知的常规方法进行，例如，催化剂层可以通过将催化剂油墨直接涂布在电解质膜上来形成；或者通过在离型基板上形成催化剂层、将所得物热压结合至电解质膜上，然后除去离型基板来形成；或者通过将催化剂油墨涂布在气体扩散层上来形成。此处，对催化剂油墨的涂布方法没有特别地限制，可以使用喷涂方法、流延成型方法、丝网印刷方法、刮涂方法、喷墨涂布方法、模涂方法、旋转涂布方法等。
阳极气体扩散层和阴极气体扩散层分别设置在催化剂层的一个表面上，成为反应气体和水的迁移路径同时起到电流导体的作用，并且具有多孔结构。因此，气体扩散层可以形成为包括导电基板。
作为导电基板，可以使用本领域中已知的常规材料，其优选实例可以包括碳纸、碳布或碳毡。然而，导电基板不限于此。
气体扩散层的厚度可以大于或等于200μm且小于或等于500μm。这具有的优点为，在通过气体扩散层使反应气体迁移阻力最小化并且在气体扩散层内含有最佳水分的方面实现最佳条件。
本说明书提供一种包括所述膜电极组件的燃料电池。具体地，所述燃料电池可以包括两个以上膜电极组件。
所述燃料电池是如下燃料电池，其包括：堆叠体，该堆叠体包括两个以上根据本说明书的膜电极组件和设置在所述膜电极组件之间的隔板；将燃料供应至所述堆叠体的燃料供应单元；以及将氧化剂供应至所述堆叠体的氧化剂供应单元。
图3示意性地示出了燃料电池的结构，该燃料电池形成为包括堆叠体(60)、氧化剂供应单元(70)和燃料供应单元(80)。
堆叠体(60)包括一个、两个以上的上述膜电极组件，当包括两个以上膜电极组件时，包括设置在它们之间的隔板。隔板防止膜电极组件电连接，并且用于将从外部供应的燃料和氧化剂传递至膜电极组件。
氧化剂供应单元(70)用于向堆叠体(60)供应氧化剂。作为氧化剂，通常使用氧气，并且可以用泵(82)注入氧气或空气。
燃料供应单元(80)用于将燃料供应至堆叠体(60)，并且可以由储存燃料的燃料箱(81)和将储存在燃料箱(81)中的燃料供应至堆叠体(60)的泵(82)形成。作为燃料，可以使用氢或者气体或液体状态的烃燃料。烃燃料的实例可以包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或天然气。
下文中，将参照实施例详细描述本说明书。然而，下面的实施例仅用于说明的目的，而不意在限制本说明书。
[实施例]
[实施例1]
1)烃系聚合物的制备
向配备有迪安-斯塔克分离器(Dean-Stark trap)和冷凝器的1L的圆底烧瓶中引入氢醌磺酸钾盐(0.9当量)、4,4'-二氟二苯甲酮(0.97当量)和3,5-双(4-氟苯甲酰基)苯基(4-氟苯基)甲酮(0.02当量)，使用碳酸钾(K2CO3)作为催化剂在氮气气氛下在二甲基亚砜(DMSO)和苯溶剂中进行制备。接着，将反应混合物在140℃的油浴中搅拌4小时，在苯回流的同时将共沸混合物吸附在迪安-斯塔克分离器的分子筛上以除去共沸混合物之后，将反应温度升高至180℃，并使所得物进行缩聚反应20小时。反应结束后，将反应物的温度降低至60℃，向相同的烧瓶中引入4,4'-二氟二苯甲酮(0.2275当量)、9,9-双(羟基苯基)氟(0.335当量)和3,5-双(4-氟苯甲酰)苯基-(4-氟苯基)-甲酮(0.005当量)，使用K2CO3作为催化剂并且使用二甲基亚砜(DMSO)和苯在氮气气氛下再次开始反应。
接着，将反应混合物在140℃的油浴中再次搅拌4小时，在苯回流的同时将共沸混合物吸附在迪安-斯塔克分离器的分子筛上以除去共沸混合物之后，将反应温度升高至180℃，并使所得物进行缩聚反应20小时。然后，将反应物的温度降低至室温，进一步添加DMSO来稀释产物，将稀释的产物倒入过量的甲醇中以从溶剂中分离共聚物。之后，使用水除去过量的碳酸钾，然后将过滤得到的共聚物在80℃的真空烘箱中干燥12小时以上，制备疏水性嵌段和亲水性嵌段通过化学键交替连接的支链磺化多嵌段共聚物。
2)二氧化硅粒子(气相二氧化硅)的制备
利用高温气相反应，通过在由氧气和氢气形成的1000℃以上的火焰中水解氯硅烷来制备二氧化硅粒子。在表面仍在熔化的同时，使在火焰中制成的基础粒子通过碰撞而彼此连接以形成次级粒子，结果，制得以三维支化形式连接的聚集体或团聚体。反应之后，在高温空气条件下除去二氧化硅中残留的氯化氢气体。刚刚制备之后的气相二氧化硅的密度非常低，使用减压装置以放气的方法将密度提高至50g/L以上。
3)添加二氧化硅的复合膜的制备
将1)中合成的烃系聚合物和亲水性二氧化硅粒子添加到相对于烃系聚合物的二氧化硅粒子含量比例为5重量％的二甲基亚砜(DMSO)溶剂中，然后对所得物进行过滤以制备亲水性二氧化硅聚合物组合物。
将1)中合成的烃系聚合物和疏水性二氧化硅粒子添加到相对于烃系聚合物的二氧化硅粒子含量比例为5重量％的二甲基亚砜(DMSO)溶剂中，然后对所得物进行过滤以制备疏水性二氧化硅聚合物组合物。
此处，作为制备的二氧化硅粒子，使用表面用羟基(-OH)处理的亲水性二氧化硅粒子和表面用甲基(-CH3)处理的疏水性二氧化硅粒子。
在厚度为约6μm且孔隙率为约75％的三维网状结构的载体的两个表面上，将亲水性二氧化硅聚合物组合物和疏水性二氧化硅聚合物溶液分别浸渍并涂布在邻接阳极的表面上和邻接阴极的表面上。将所得物在80℃的烘箱中干燥24小时以制备添加二氧化硅的烃系复合膜。将制备的聚合物电解质膜在80℃下用10％的硫酸进行酸处理24小时，用蒸馏水洗涤4次以上，然后在80℃下干燥以制备聚合物电解质膜。
[实施例2]
除了将亲水性二氧化硅聚合物组合物涂布/浸渍在邻接阴极的表面上，并且将疏水性二氧化硅聚合物组合物涂布/浸渍在邻接阳极的表面上之外，以与实施例1中相同的方式制备烃系电解质膜。
[比较例1]
除了将亲水性二氧化硅聚合物组合物涂布/浸渍在载体的两个表面上之外，以与实施例1中相同的方式制备烃系电解质膜。
[比较例2]
除了将疏水性二氧化硅聚合物组合物涂布/浸渍在载体的两个表面上之外，以与实施例1中相同的方式制备烃系电解质膜。
[比较例3]
除了将简单混合有亲水性二氧化硅与疏水性二氧化硅的聚合物涂布/浸渍在载体的内部而没有位置梯度之外，以与实施例1中相同的方式制备烃系电解质膜。
[实验例1]
为了测量在实施例和比较例中制备的聚合物电解质膜在燃料电池中的性能，制备包括所述聚合物电解质膜的膜电极组件。具体地，将聚合物电解质膜切成8cm×8cm的四边形，并且在聚合物电解质膜的顶部和底部将含有0.4mg/cm2的铂的碳载体铂催化剂调整至5cm×5cm的尺寸，以制备膜电极组件。
在H2/空气和大气压力条件以及50％的相对湿度(RH)的条件下进行如上制备的膜电极组件的性能评价。
图9示出了在50％的相对湿度(RH)的条件下，燃料电池中根据实施例和比较例的聚合物电解质膜的电压随着电流密度的变化。
图10示出了在50％的相对湿度(RH)的条件下，燃料电池中根据实施例和比较例的聚合物电解质膜在0.6V下的电流密度值。
如图9和图10的结果所示，根据实施例的聚合物电解质膜能够在高湿度条件下实现稳定的性能，并且如在根据实施例1的聚合物电解质膜中那样，当将疏水性二氧化硅粒子设置在阴极侧并且将亲水性二氧化硅粒子设置在阳极侧时，能够保持更稳定且更优异的性能。

Claims (5)

1.一种聚合物电解质膜，包括：
包含亲水性二氧化硅粒子的第一聚合物层；以及
设置在所述第一聚合物层上并且包含疏水性二氧化硅粒子的第二聚合物层，
其中，所述亲水性二氧化硅粒子是表面被等离子体处理的二氧化硅，所述疏水性二氧化硅粒子是表面被甲基硅烷改性的二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的聚合物电解质膜，其中，所述聚合物电解质膜还包括第三聚合物层，该第三聚合物层设置在所述第一聚合物层和所述第二聚合物层之间，并且包含多孔载体和设置在该多孔载体的孔的内部的电解质聚合物。
3.一种膜电极组件，包括：
阳极；
阴极；以及
设置在所述阳极和所述阴极之间的权利要求1或2中所述的聚合物电解质膜。
4.根据权利要求3所述的膜电极组件，其中，所述第一聚合物层设置在所述阳极上，所述第二聚合物层设置在所述阴极上。
5.一种包括权利要求3所述的膜电极组件的燃料电池。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11888197B2 (en) 2020-05-04 2024-01-30 Robert Bosch Gmbh Dual surface property composite fuel cell polymer electrolyte membrane
KR102426573B1 (ko) 2020-09-11 2022-07-29 인천대학교 산학협력단 촉매층상에 탄소층을 포함하는 막전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지
KR20220114679A (ko) * 2021-02-09 2022-08-17 현대자동차주식회사 플라즈마 처리된 충진제를 포함하는 막-전극 접합체의 전해질막 및 이의 제조방법
CN118017155A (zh) * 2024-04-02 2024-05-10 沧州明珠隔膜科技有限公司 一种高安全性隔膜及其制备方法和应用

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11176456A (ja) * 1997-12-15 1999-07-02 Aisin Seiki Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
JP2003157862A (ja) * 2001-11-20 2003-05-30 Tokuyama Corp イオン交換樹脂膜及びその製造方法
JP2007012299A (ja) * 2005-06-28 2007-01-18 Toyota Motor Corp 電解質膜とその製造方法および該電解質膜を備えた膜電極接合体と燃料電池

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07135004A (ja) 1993-11-12 1995-05-23 Toyota Motor Corp 固体高分子電解質膜および燃料電池
GB9708365D0 (en) * 1997-04-25 1997-06-18 Johnson Matthey Plc Proton conducting membranes
JP4023903B2 (ja) * 1998-04-02 2007-12-19 旭化成ケミカルズ株式会社 固体高分子型燃料電池用膜・電極接合体
KR20030045324A (ko) 2001-12-03 2003-06-11 주식회사 엘지화학 메탄올 비투과성 전해질막 및 그 제조방법
KR100509298B1 (ko) 2003-05-31 2005-08-22 한국과학기술연구원 무기질 박막이 코팅된 직접메탄올 연료전지용 복합고분자 전해질막의 제조 방법
JP2005332672A (ja) 2004-05-19 2005-12-02 Aisin Seiki Co Ltd 膜電極接合体、高分子電解質型燃料電池
KR101135479B1 (ko) 2005-01-26 2012-04-13 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
CN101156265B (zh) * 2005-02-18 2012-03-21 通用汽车环球科技运作公司 用于燃料电池的抗氧化电极
US8652705B2 (en) * 2005-09-26 2014-02-18 W.L. Gore & Associates, Inc. Solid polymer electrolyte and process for making same
US20070269698A1 (en) 2005-12-13 2007-11-22 Horizon Fuel Cell Technologies Pte. Ltd Membrane electrode assembly and its manufacturing method
US20130022895A1 (en) * 2011-07-20 2013-01-24 GM Global Technology Operations LLC Membrane with Laminated Structure and Orientation Controlled Nanofiber Reinforcement Additives for Fuel Cells
KR20150097024A (ko) 2014-02-17 2015-08-26 삼성에스디아이 주식회사 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막전극 접합체 및 연료전지

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11176456A (ja) * 1997-12-15 1999-07-02 Aisin Seiki Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
JP2003157862A (ja) * 2001-11-20 2003-05-30 Tokuyama Corp イオン交換樹脂膜及びその製造方法
JP2007012299A (ja) * 2005-06-28 2007-01-18 Toyota Motor Corp 電解質膜とその製造方法および該電解質膜を備えた膜電極接合体と燃料電池

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