CN110416583B - 燃料电池电解质膜制造方法及通过其制造的电解质膜 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于燃料电池的电解质膜的制造方法。该方法包括制备包括形成质子移动通道的一种或多种离子导电聚合物的电解质层，和使气体从电解质层的第一表面渗透至电解质层的第二表面。

Description

燃料电池电解质膜制造方法及通过其制造的电解质膜
发明领域
本发明涉及用于燃料电池的电解质膜的制造方法以及通过该方法制造的电解质膜。电解质膜可以具有重新排列(realigned)的离子移动通道。
背景技术
大体上，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)已经用于车辆中。聚合物电解质膜燃料电池应当稳定地在很宽的电流密度范围内工作，以正常施加至少数十kW或更大的高功率。
燃料电池产生电的反应在包括基于离聚物的膜和一对电极(阳极和阴极)的膜电极组件(MEA)中发生。提供至作为燃料电池氧化电极的阳极的氢裂分成质子和电子，然后质子和电子分别通过电解质膜和外部电路移动至还原电极(阴极)。然后，在阴极处，氧分子、质子和电子一起反应，产生电和热，同时，产生作为副产物的水(H2O)。燃料电池中电化学反应过程中产生的水在适量存在时，有利地发挥保持膜电极组件湿度的功能。但是，产生的过量的水除非适当除去，否则在高电流密度下发生溢流(flooding)。溢流的水干扰反应气体向燃料电池中的高效供应，从而导致严重的电压损失。在燃料电池的电化学反应中，当阳极处的质子通过膜移动至阴极时，它们与水分子结合成水合氢离子例如H3O+的形式，并拖曳(drag)水分子。这种现象被称作“电渗拖曳(EOD)”。此外，随着阴极中积累的水的量增加，部分水从阴极逆向移动至阳极。这被称作“反向扩散”(BD)。因此，为了在燃料电池中获得优异的电池性能，水、质子等的移动应当高效。
该背景技术部分公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此，其可以含有不构成在该国家中本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。
发明内容
在优选的方面，本发明提供一种具有重新排列的离子移动通道的电解质膜。例如，电解质膜中离子的移动通过离子移动通道的重新排列可得到促进。
一方面，提供一种用于燃料电池的电解质膜的制造方法。该方法可以包括以下步骤：制备包括形成质子移动通道的一种或多种离子导电聚合物的电解质层，和使气体从电解质层的第一表面渗透至第二表面。优选地，质子移动通道的迂曲度(tortuosity)可以通过使气体渗透而降低。
如本文所用，术语“离子导电聚合物”是指可以通过官能团(例如含有离子特性)转移离子(例如，阳离子或阴离子)的高分子化合物或树脂。优选的离子导电聚合物可以在聚合物结构的侧基上包括至少一个或多个带正电(阳离子型)或带负电(阴离子型)的官能团。在某些实施方式中，示例性离子导电聚合物含有阴离子基团，其可以释放或给出电子，使得离子导电聚合物可以容纳或保持带正电的离子，例如质子。
如本文所用，术语“质子移动通道”是指质子可以容纳、被捕获或离子结合或流动的内部空间。优选的质子移动通道可以由排列成形成内部结构(例如，通道、腔洞或迷路)的阴离子基团例如磺酸基或羧酸基形成或围绕。
一种或多种离子导电聚合物可以是相同的或不同的。
优选地，一种或多种离子导电聚合物可以各自包括有包括聚四氟乙烯(PTFE)的主链和包括磺酸基(-SO3H))的侧链。
电解质层的厚度可以适当地为约5-100μm。
电解质层可以适当地包括：第一层，其包括一种或多种离子导电聚合物；和第二层，其包括一种或多种离子导电聚合物和具有三维网络结构的载体(support)。第一层和第二层可以安置成彼此相邻，使得离子可在第一层和第二层之间移动。
载体可以适当地包括选自膨胀聚四氟乙烯(e-PTFE)和原子量为约3.5-7.5Mamu(百万原子质量单位)的多孔超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的一种或多种。
术语“膨胀聚四氟乙烯”或“e-PTFE”是指可以含有微孔纤维结构的聚四氟乙烯聚合物产品。典型的e-PTFE可以是可延伸的或柔性的，并且可以允许流体(例如，气体或液体)经多孔结构通过。
术语“超高分子量聚乙烯”或“UHMWPE”是指典型地分子量通常为3.5-7.5百万Da的聚乙烯。
气体可以包括选自水蒸气(H2O)、乙醇(C2H5OH)和丙醇(C3H7OH)的一种或多种。
在降低质子移动通道的迂曲度时，气体可以通过加热至以下温度范围得到渗透，该温度范围是从比一种或多种离子导电聚合物的α-转变温度(Tα)高约2℃的第一加热温度至200℃。
气体的沸点可以低于第一加热温度。
气体可以在气体的饱和蒸汽压下渗透电解质层。
优选地，气体的饱和蒸汽压可以为约0.01-1MPa。气体可以适当地以每单位时间单位面积约0.1-10[mg/cm2·min]的量渗透。
通过在电解质层中使气体在第一表面处的浓度大于在第二表面处的浓度，可以适当地使气体从第一表面渗透至第二表面。用于使气体渗透的浓度差异可以优选地为相对于第一表面处浓度的至少约5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或更大。
通过在电解质层中使在第一表面处的压力大于在第二表面处的压力，可以适当地使气体从第一表面渗透至第二表面。用于使气体渗透的压力差异可以优选地为相对于第一表面处压力的至少约5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或更大。
可以对气体进行加热。
另一方面，提供通过本文所述的方法制造的电解质膜。
而且提供包括本文所述的电解质膜的燃料电池。
还提供包括本文所述的燃料电池的车辆。
以下对本发明的其他方面和优选实施方式进行讨论。
附图说明
现将参考在附图中图示的某些示例性实施方式对本发明的上述和其他特征加以详述，附图在以下将仅出于示例说明给出，因此并不对本发明加以限定，其中：
图1显示了根据本发明示例性实施方式的示例性电解质膜的示例性制造方法；
图2是示例说明图1的S100中的示例性电解质层的截面图；
图3是图2所示的电解质层的截面放大图；
图4是示例说明图1的S200中的示例性电解质层的截面图；
图5是示例说明通过根据本发明示例性实施方式的电解质膜的示例性制造方法制造的示例性电解质膜的截面图；
图6是图5所示的电解质层的截面放大图；且
图7是显示出通过根据本发明示例性实施方式的示例性制造方法制造的示例性电解质膜与比较例相比较的质子电导率随着相对湿度变化情况的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本发明的优选实施方式进行详述。参考附图，根据以下优选实施方式将清楚理解本发明及其完成方法的优势和特征。但是，本发明并不限于实施方式，将以不同的方式实施。提出实施方式仅仅是提供对所公开内容的细致、完整的说明，并使本领域技术人员充分知晓本发明的技术概念。本发明的范围仅通过权利要求定义。附图说明中类似的标号是指类似的元件。
除非有不同定义，本文使用的术语(包括技术或科学术语)具有本发明所涉及领域技术人员通常理解的相同含义。此外，除非在本说明书中明确定义，与通常使用的字典中定义者相同的术语应当理解成具有与相关领域上下文含义相同的含义，而不应当理解成具有理想的或过于形式上的含义。
此外，本文所用的术语仅仅是出于描述实施方式的目的，而并无意于对发明的范围加以限定。除非上下文明确另外指出，单数形式意在也包括复数形式。应进一步理解到，当用于本说明书时，术语“包括”、“包括有”说明存在有所述的元素、特征、数字、步骤和/或操作，但并不排除存在或添加一种或多种其他的元素、特征、数字、步骤和/或操作。此外，“和/或”包括每种所提及的项目及其一种或更多种的组合。
此外，应当理解到，当称例如层、膜、区或基底的元件在另一元件“上”时，其可以直接地在该另一元件上，或者也可以存在有介于中间的元件。另外应当理解到，当称例如层、膜、区或基底的元件在另一元件“下”时，其可以直接地在该另一元件下，或者也可以存在有介于中间的元件。
除非上下文明确另外指出，本说明书中使用的所有表示成分、反应条件、组合物组成和混合物量的数量、数字、图和/或表达均是反映了得到这些数字等时内在发生的各种测量不确定性的近似值。出于该原因，应当理解到，在所有情形中，术语“约”应当修饰所有的数量、数字和/或表达。此外，当说明书中公开数值范围时，除非另外定义，这些范围是连续的，包括范围内从最小值到最大值的所有数字。而且，当涉及的范围是整数时，除非另外定义，其包括范围内从最小值到最大值的所有整数。
而且，除非明确说明或从上下文很明显，如本文所用，术语“约”理解成在本领域的正常容许误差范围内，例如，在平均值的2标准偏差内。“约”可以理解成在所述数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外由上下文很明显，本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。
应当理解到，在说明书中，当范围涉及到参数时，参数包括该范围内公开的所有数字，包括端点。例如，“5-10”的范围包括落入该范围内的数字5、6、7、8、9和10，以及任意子区间，例如范围6-10、7-10、6-9和7-9，以及适当整数之间的任意数字，例如5.5、6.5、7.5、5.5-8.5和6.5-9。此外，例如，范围“10％至30％”包括落入该范围内的所有数字，例如10％、11％、12％和13％以及30％，以及任何子区间10％-15％、12％-18％或者20％-30％，以及适当整数之间的任意数字，例如10.5％、15.5％和25.5％。
在下文中，将参考附图对本发明进行更详细的说明。
图1是示例说明根据本发明示例性实施方式的示例性电解质膜的示例性制造方法的流程图。
如图1所示，用于燃料电池的电解质膜的制造方法可以包括制备包括一种或多种离子导电聚合物(“离聚物”)的电解质层和通过使气体渗透到电解质层中而降低质子移动通道的迂曲度(或变形)(S200)。优选地，该一种或多种离子导电聚合物可以形成质子移动通道(S100)。例如，电解质层中包括的质子移动通道可以是其中离子导电聚合物三维上可以与另一离子导电聚合物接触的区域，可以是允许质子移动的通道方式。例如，质子可以经由质子移动通道从燃料电池电解质膜移动至燃料电池电极。
迂曲度可以是描述离子的移动通道的直接参数。如本文所用，术语“迂曲度”是指离子导电聚合物中质子通道的弯曲程度。因此，为了促进质子的移动以提高燃料电池的效率，优选地可以引入线性质子移动通道。同时，通过测量和比较电解质层的孔隙度和有效扩散系数，可以相对地确定离子移动通道之间的迂曲度差异。
根据本发明示例性实施方式的电解质层中包括的离子导电聚合物可以通过使主链(或骨架)和包括前体单体的侧链(或官能链)共聚而制造。离子导电聚合物的侧链可以取决于其分子量而适当地包括短侧链、中侧链和长侧链。
例如，根据本发明示例性实施方式的电介质层的离子导电聚合物可以在其主链中包括聚四氟乙烯(PTFE)。此外，这样的离子导电聚合物可以在其侧链中包括磺酸基(-SO3H)。此外，离子导电聚合物侧链端部安置的官能团可以包括磺酰氟(-SO2F)。磺酰氟通常可因亲水性低而不传导质子，因此吸水性(water uptake)差。同时，可以使用碱性水溶液进行水解，以使磺酰氟官能团被磺酸基(-SO3H)替换。
具体地，根据本发明示例性实施方式的离子导电聚合物可以优选地包括全氟化离聚物。这样的全氟化离子导电聚合物可以具有以下结构：其中包括聚四氟乙烯(PTFE)的主链与包括磺酸基的侧链连接。此外，可以与四氟乙烯一起使用六氟环氧丙烯(HFPO)作为合成全氟化离聚物的原料。
同时，在制备根据本发明示例性实施方式的电解质层时(S100)，电解质层可以包括第一层和第二层。第一层可以仅包括一种或多种离子导电聚合物。另一方面，第二层可以包括一种或多种离子导电聚合物和载体。载体可以加强组合层的离子导电聚合物。例如，载体可以具有三维网络结果。
此外，第一层和第二层可以安置成彼此相邻。因此，离子(例如，质子)可以在纯的层和组合层之间移动。
如上所述，由于将载体引入到离子导电聚合物中，可以确保电解质膜的机械强度或机械耐久性或化学耐久性。具体地，为了改善燃料电池的功能，可以引入厚度较薄(例如，约30μm或更低)的电解质膜。因此，为了确保电解质薄膜的机械强度和机械/化学耐久性，可以包括载体。
例如，具有三维网络结构的载体可以包括选自膨胀聚四氟乙烯(e-PTFE)和多孔超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的一种或多种。多孔超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的原子量可以为约3.5-7.5Mamu(百万原子质量单位)。
具体地，膨胀聚四氟乙烯可以具有优异的机械特性(例如，抗张强度或延伸率)，并可以降低通过电解质膜的氢渗透(hydrogen crossover)。因此，可以提高燃料电池的燃料使用效率。电解质层中可以包括的载体的例子包括膨胀聚四氟乙烯或超高分子量聚乙烯，但本发明并不限于此。例如，可以包括通过电纺丝方法制造的具有网结构的氟化聚合物例如聚偏氟乙烯(PVDF)作为电解质层载体中的载体。
在下文中，将参考图2-6更详细地对根据本发明示例性实施方式的燃料电池电解质膜制造方法进行描述。
图2和图3分别是示例说明图1的S100中的电解质层的截面图及其截面放大图。出于说明方便，以下描述将集中于与参考图1所示例说明者不同的方面。
如图2所示，包括离子导电聚合物和质子移动通道的电介质层10可以具有第一表面11和面向第一表面11的第二表面12。
此外，图2中电解质层10的第一表面11和第二表面12之间的截面上的X方向和Y方向上所示的图案示意性地显示出电解质层10中的离子导电聚合物和质子移动通道的迂曲度。即，图2示例说明了质子在离子导电聚合物中移动所沿的迂曲路径的例子。例如，当质子沿着线性路径(y方向)从电解质层10的一表面11移动至另一表面12时，迂曲度理论上是1。因此，为了提高燃料电池的效率，可能需要能够使质子更快移动的路径。为此，优选引入迂曲较小(即，迂曲度达到约1)的质子移动通道。
图2示意性地示例说明了迂曲度。例如，通常，由于电解质层10的复杂形状和结构(例如，离子导电聚合物具有不规则形状或不同大小)，不容易测量该迂曲度。本发明中电解质层10中离子导电聚合物和质子移动通道的迂曲度并不限于此。尽管如此，迂曲度可以通过聚合物中介质的孔隙度和扩散效率，或者通过X-射线或NMR成像分析方法推断。本文所用的迂曲度参考通过该方案测定的观察到的数值。
如图3所示，将示例说明性地显示电解质层的离子导电聚合物(参见图2的10)、与离子导电聚合物结合的官能团、质子和水分子。
例如，关于根据本发明示例性实施方式的电解质层10，离子导电聚合物可以彼此三维接触，以形成质子移动通道。例如，如图3所示，离子移动通道可以具有互相纠缠的结构。例如，离子导电聚合物的官能团(例如，磺酸基)可以形成为聚簇(cluster)的亲水性区域充当着离子移动通道(例如，质子移动通道)。
图4是示例说明图1的S200中的电解质层的截面图。为说明方便起见，以下描述将集中于与参考图1-3所示例说明者不同的方面。
如图4所示，在通过使气体渗透到电解质层中而降低质子移动通道的迂曲度(或变形)时(参见图1的S200)，通过使气体从电解质层10的第一表面11朝向面向第一表面11的第二表面12的方向(例如，厚度方向(y方向))渗透，质子移动通道的迂曲度可得以降低。迂曲度相对于气体渗透之前的初始迂曲度优选地降低至少约5％、10％、20％、30％、40％、50％或60％。
此外，使用的气体20可以包括选自水蒸气(H2O)、乙醇(C2H5OH)和丙醇(C3H7OH)的一种或多种。为了防止构成电解质层10的聚合物的物理特性由于渗透气体20的残留而改变，可以使用水蒸气(H2O)作为气体20。
例如，根据本发明示例性实施方式的燃料电池电解质膜的制造方法可以包括通过在从电解质层10的第一表面11朝向第二表面12的厚度方向或层面贯通(through-plane)方向上的优先蒸汽渗透对离子移动通道进行的重新定向或重新排列。
同时，关于根据本发明示例性实施方式的电解质膜的制造方法，电解质层10的厚度可以适当地为约5-100μm。具体地，电介质层10的厚度可以为范围约10至约60μm。当电解质层10的厚度小于约5μm时，机械稳定性可能由于气体20(例如，水蒸气)的过量渗透而迅速劣化，从而可能增加电解质膜的过度溶胀和氢渗透。另一方面，当电解质层的厚度大于约100μm时，由于电解质膜的电阻增加，气体20的渗透效率可能会不足，并且燃料电池的电化学反应速率可能会降低。结果，当电介质层10的厚度大于100μm时，燃料电池的功率可能会劣化。
同时，在根据本发明示例性实施方式的电解质膜制造方法中降低质子移动通道的迂曲度时(S200)，可以将待渗透的气体20在渗透到电解质层10中之前加热至以下温度范围，该温度范围是从比构成电解质层10的离子导电聚合物的α-转变温度(Tα)高2℃的第一加热温度至约200℃。
当加热温度比α-转变温度低2℃时，由于气体20(例如，水蒸气)从外部供应时流动性低，构成电解质层10的离子导电聚合物(例如，全氟化磺酸离聚物)可能会具有很高的延长离子移动通道的可能。另一方面，当加热温度高于约200℃时，离子导电聚合物可能会热分解，因此电解质层10的性能可能会劣化。
同时，当热供应停止时，在温度范围(从比α-转变温度高2℃的第一温度至约200℃)内气体20在电解质层10的厚度方向上渗透到电解质层10内之后，可以将重新排列的离子移动通道固定，同时保持其结构。这样，由于使气体(例如，水蒸气)在电解质层10的厚度方向(例如，y方向)上在高于电解质层10的α-转变温度的温度下渗透，可以选择性地重新定向(或排列)电解质层10中的质子移动通道(迂曲的质子传导通道)，从而降低迂曲度。这样，通过在改良的电解质膜中减少离子移动距离，可以提高传导质子的能力。因此，燃料电池的性能可以进一步提高。此外，如上所述具有方向性的结构可以最终有助于提高电解质膜的机械强度。
同时，例如，待渗透的气体20的沸点可以低于比构成电解质层10的离子导电聚合物的α-转变温度高2℃的温度。
此外，电解质层10的α-转变温度可以取决于构成电解质层10的离子导电聚合物的主链上连接的侧链的种类和密度。
关于根据本发明示例性实施方式的电解质膜的制造方法，在降低质子移动通道的迂曲度时(S200)，气体20可以通过气体20的饱和蒸气压渗透到电解质层10中。例如，当气体20(例如，水蒸气)从电解质层10的第一表面11渗透到第二表面12时，为了使气体在电解质层10的厚度方向(例如，y方向)上渗透，可以向一表面11施加压力(例如，气体20的饱和蒸气压)。
同时，可能需要施加以使气体在电解质层10的厚度方向渗透的压力，以降低电解质层10中形成的离子移动通道的迂曲度。例如，需要提供充分高的驱动力以通过改变电解质层10中存在的离聚物的纳米结构和微结构而降低离子移动通道迂曲度。
在本发明的示例性实施方式中，驱动力可以通过气体20(例如，水蒸气)提供。例如，驱动力可以通过待施加驱动力的电解质层10的彼此面对的第一表面11和第二表面12之间不同气体20的浓度梯度和/或压力的差异来确定。
电介质层10的第一表面11上的气体20的浓度和/或压力可以大于第二表面12，使得气体20可以从第一表面11朝向第二表面12(例如，y方向)渗透。此外，优选地，加热气体20可以增加使气体20渗透到电解质层10中的驱动力。
例如，在基于压力差异增大而增加驱动力的尝试中，可以使包括气体20(例如，水蒸气)的密封腔室与电解质层10的第一表面11接触，腔室的温度可以加热至约100℃或更高。此外，当减压或真空腔室与电解质层10的第二表面12接触时，可以发生提供气体20的选择性移动的改善效果。
优选地，渗透气体20的饱和蒸气压可以为，例如，约0.01-1MPa。其原因在于，当饱和蒸气压可以小于0.01MPa时，水蒸气渗透速率可能会很低，从而可能使时间效率劣化，而当饱和蒸气压大于约1MPa时，电解质层10可能会在机械上变性。
图5和6分别是示例说明通过根据本发明示例性实施方式的电解质膜制造方法(参见图1的S100和S200)制造的电解质膜的截面图及其放大图。以下描述将集中于与参考图1-4所示例说明者不同的方面。
如图5所示，通过根据本发明示例性实施方式的电解质膜制造方法制造的电解质膜10’可以与常规的电解质膜不同。例如，通过在厚度方向(例如，y方向)上渗透气体，电解质膜10’中的质子移动通道可以重新定向(或重新排列)。图5中电解质膜10’的第一表面11和第二表面12之间的截面上X方向和Y方向上显示的图案示意性地显示了离子导电聚合物的迂曲度，该图案的迂曲度小于图2。与气体渗透之前图2的电介质层(参见图2的10)相比较，通过根据本发明示例性实施方式的方法制造的电解质膜10’的迂曲度可以接近于1。
图6显示了电解质膜的离子导电聚合物(参见图5的10’)、与离子导电聚合物结合的官能团、质子和水分子。与图3的电解质层相比较，图6中质子移动路径的迂曲度可以降低(即，迂曲度接近于1)。因此，质子可以移动得更快，从而可以提高燃料电池的效率。
质子电导率可以与通过离子导电聚合物和与离子导电聚合物结合的官能团(例如，磺酸基)形成的离子移动通道直接相关。当离子移动通道的迂曲度低、官能团之间的距离短(即，每单位体积官能团的密度高)时，电解质膜10’的质子电导率可以增加。因此，当具有相同侧链结构和当量(EW)的离子导电聚合物的质子电导率增加时，离子移动通道的迂曲度可以进一步降低。
同时，根据本发明示例性实施方式降低电解质层中离子移动通道迂曲度的示例性方法可以包括在排列离子移动通道的方向上向电解质层施加振动。例如，振动可以在比电解质层的α-转变温度高约2℃的第一加热温度至约200℃的温度范围内施加。此外，取决于振动的振幅、振动的数量或施加时间，离子移动通道可以重新排列。通常，可以通过从电解质层的第一表面朝向第二表面施加振动使离子移动通道重新排列。
实施例
在下文中，将参考具体实施例和测试例对本发明进行更详细的说明。这些实施例和测试例的提供仅仅是用于对本发明进行示例说明，而不应当理解为对本发明的范围进行限定。
在本发明的实施例和比较例中，电解质层的厚度设定为50.8μm。此外，在实施例和比较例中使用Nafion(DuPont Co.,USA)作为离子导电聚合物。
比较例
使用未经处理的电解质层(NafionDuPont Co.,USA)。
实施例
使用具有长侧链的全氟化磺酸电解质层。此外，在实施例中，保持温度条件(110℃，其比Nafion 的α-转变温度高5℃)，其比目标电解质层的α-转变温度105℃高5℃。将水蒸气在目标电解质层的特定点中沿电解质膜的厚度方向渗透，渗透的水蒸气的量为300g。例如，将含有300g水(蒸汽渗透面积：28.3cm2)的玻璃瓶的入口用电解质层密封，并将密封的玻璃瓶保存在恒定温度110℃的烘箱中。饱和水蒸气诱导约0.15MPa的压力，产生的压力导致水蒸气提供至堵塞玻璃瓶入口的电解质膜的下表面，沿着电解质膜的厚度方向移动，并排放至电解质膜的上表面。
评价和分析
测量通过上述方法进行水蒸气渗透的实施例和没有经过特定处理的比较例的质子电导率。为了测量实施例和比较例的质子电导率，测量温度为80℃、相对湿度为30-90％下实施例(电解质膜)或比较例(电解质层)在厚度方向上的电阻，并应用面积和厚度条件。
同时，测量通过水蒸气渗透进行离子移动通道重新排列之前的质子电导率(比较例)和重新排列处理之后的质子电导率(实施例)。结果和增加量(％)显示于下表1中。此外，FIG.7中的图显示了实施例和比较例中质子电导率随着相对湿度变化的情况。
表1
在所有条件下，实施例的质子电导率均优于比较例。具体地，与比较例相比较，实施例在低湿度条件下(相对湿度30％)表现出53.9％的质子电导率增加。在低相对湿度环境下，电解质层离子移动通道的重新排列效果得以清楚的证实。
引入有氢燃料电池的车辆连续地要求引入高温、低湿度的工作条件，以提高性能。在这一方面，根据本发明各个示例性实施方式的具有重新排列的离子移动通道的电解质膜可以适合于高温、低湿度的工作条件。
从前文明显的是，根据本发明各个示例性实施方式的燃料电池电解质膜制造方法可以通过使气体渗透到电解质层中而提供具有重新排列的电解质层离子移动通道的电解质膜。
此外，电解质膜中离子移动通道的重新排列降低了离子移动通道的迂曲度，从而最终有利于质子移动，并提高燃料电池的性能。
本发明的效果并不限于以上所述者。应当理解到，本发明的效果包括所有可以从本发明前述说明中推出的效果。
本发明已参考其优选实施方式加以详述。但是，本领域技术人员将会认识到，可以在不偏离本发明原理和精神的情况下对这些实施方式进行变化，本发明范围在权利要求及其等同方式中定义。

Claims (17)

1.一种用于燃料电池的电解质膜的制造方法，其包括以下步骤：
制备包括一种或多种离子导电聚合物的电解质层，其中通过所述一种或多种离子导电聚合物形成质子移动通道；和
使气体在厚度方向上从所述电解质层的第一表面渗透至所述电解质层的第二表面，以降低所述质子移动通道的迂曲度，
其中所述气体包括选自水蒸气、乙醇和丙醇中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一种或多种离子导电聚合物各自包括有包括聚四氟乙烯的主链和包括磺酸基的侧链。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解质层的厚度为5-100μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解质层包括：
第一层，其包括所述一种或多种离子导电聚合物；和
第二层，其包括所述一种或多种离子导电聚合物和具有三维网络结构的载体，
其中所述第一层和所述第二层安置成彼此相邻，使得离子能够在所述第一层和所述第二层之间移动。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述载体包括选自膨胀聚四氟乙烯和多孔超高分子量聚乙烯的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述多孔超高分子量聚乙烯的原子量为3.5-7.5百万原子质量单位。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体通过加热至以下温度范围而渗透，所述温度范围是从比所述离子导电聚合物的α-转变温度高2±0.2℃的第一加热温度至200±20℃。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述气体的沸点低于所述第一加热温度。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体在所述气体的饱和蒸汽压下渗透所述电解质层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述气体的饱和蒸汽压为0.01-1MPa。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体以0.1-10mg/cm2·min的量渗透。
12.根据权利要求1所述的方法，其中通过在所述电解质层中使所述气体在所述第一表面处的浓度大于在所述第二表面处的浓度，使所述气体从所述第一表面渗透至所述第二表面。
13.根据权利要求1所述的方法，其中通过在所述电解质层中使在所述第一表面处的压力大于在所述第二表面处的压力，使所述气体从所述第一表面渗透至所述第二表面。
14.根据权利要求1所述的方法，其中对所述气体进行加热。
15.一种电解质膜，其通过根据权利要求1所述的方法制造。
16.一种燃料电池，其包括根据权利要求15所述的电解质膜。
17.一种车辆，其包括根据权利要求16所述的燃料电池。
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