CN1501538A - 用于燃料电池的质子交换膜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了新的PEM和使用该PEM的燃料电池。所述质子电解质膜(PEM)包括聚合物基质和适于产生超导界面的离子导电陶瓷材料，所述陶瓷材料均匀分散在整个基质中。所述聚合物基质选自质子交换聚合物、非质子交换聚合物及其组合。所述材料选自β－氧化铝、SnO2(nH2O)，热解法二氧化硅、SiO2、热解法氧化铝、H4SiW12O2(28H2O)、锡丝光沸石/SnO2复合材料、磷酸锆－磷酸盐/二氧化硅复合材料。

Description

用于燃料电池的质子交换膜
相关申请
本申请要求2001年11月16日申请的美国临时专利申请60/333,282的权益。
技术领域
本发明公开了用于燃料电池的质子交换膜(PEM)，包括适于产生超导界面的、分散在聚合物基质中的离子导电陶瓷材料。
背景技术
燃料电池是用于发电的电化学装置。燃料电池典型地包括阳极、阴极、和夹在阳极和阴极间的电解质。一般在阳极引入燃料源如氢。在此，电子被催化脱离氢并经外电路通过负载转移到阴极，同时自由质子从阳极通过电解质传导至阴极。在阴极，质子与氧(来源空气)催化结合形成水。
在这一燃料电池的开发中，努力的重点放在用甲醇作氢源的直接甲醇燃料电池(DMFC)上。然而，对于电解质(即已知的质子交换膜，PEM)的选择，使用甲醇引入了一定程度的新的复杂性。最受欢迎的PEM含有全氟磺酸(PFSA)，并可商购自Dupont，Dow，和Gore，类似的材料可购自Ballard，Maxdem，和Dais。参见US6059943，在此引入该专利以为参考。这些材料包含大量的水以保持它们的质子交换能力。
与在DMFC中使用这些PEM有关的一个问题是“甲醇跨越”，即，在阳极，经过水甲醇被吸收到PEM中，并经扩散通过膜转移至阴极，在此，它不利地与催化剂结合并因此降低燃料电池的总效率。据信，甲醇移动通过膜的速率与质子移动通过膜的速率相同。
因此，需要改进PEM使得质子通过膜的转移速率大于甲醇通过膜的转移速率。
US 6059943公开了PEM，其中，膜由填充有无机水化氧化物颗粒的聚合物基质组成。所述聚合物基质描述于第8栏第58行到第9栏第8行，和第10栏第64行到第11栏第62行。这些材料包括，例如PFSAs，PTFEs，聚砜和PVC。所述无机氧化物被描述为水化金属氧化物，优选所述金属选自钼、钨、锆、及其混合物。参见第8栏第52-68行和第10栏第62-64行。该发明的唯一实施例讨论了浸渍有α-磷酸锆水合物(α-Zr(HPO4)2·H2O)的多孔PTFE膜。
发明概述
本发明公开了新的PEM和使用该PEM的燃料电池。所述质子电解质膜(PEM)包括聚合物基质和适于产生超导界面的离子导电陶瓷材料，所述陶瓷材料均匀分散于整个所述基质中。所述聚合物基质选自质子交换聚合物，非质子交换聚合物，及其结合。所述材料选自β-氧化铝、SnO2(nH2O)，热解法二氧化硅、SiO2、热解法氧化铝、H4SiW12O2(28H2O)、锡丝光沸石/SnO2复合材料、磷酸锆-磷酸盐/二氧化硅复合材料。
发明讨论
燃料电池指的是可将燃料转化为电的电化学装置，具有夹有聚合物电解质膜或质子交换膜(PEM)的阳极和阴极。该燃料电池可使用氢作为燃料源。燃料电池体系可包括燃料转化器以将烃燃料如天然气或甲醇或汽油转化成氢气源。燃料电池体系也可以是直接的甲醇燃料电池(DMFC)。本文中所用的阳极和阴极指的是关于前述燃料电池的一般意义上的那些体系。
所述PEM一般是具有20-400微米厚度的非多孔的不可透过气体的膜。所述PEM由具有适于产生超导界面的离子导电陶瓷材料的聚合物基质组成，所述陶瓷材料均匀分散在整个基质中。据信，适于产生超导界面的离子导电陶瓷材料起着质子超导材料的作用。这一材料促进质子在阳极和阴极之间非常快速地转移。据假设，转移发生在所述材料和所述聚合物基质之间的界面处或通过所述材料。用所述材料获得的质子转移速率远大于甲醇转移或将转移通过PEM的速率。所述聚合物基质由约10-70体积％的PEM组成，而所述材料包括30-90体积％的PEM。所述材料必须也均匀分散在整个基质中。虽然简单混合陶瓷材料和基质的聚合物足以满足分散要求，但优选的是通过高剪切混合和/或采用分散助剂来获得均匀的分散。高剪切混合可包括：低粘度高速混合和高粘度低速混合。分散助剂是添加到悬浮介质中的表面活性剂以促进细固体粒子的均匀和最大分离。为了便于制造，所述PEM可挤出或注塑成薄膜形式。例如，干燥形式的聚合物可与材料混合，然后挤出成薄膜，或者在聚合物溶液中的聚合物可与所述材料混合，然后注塑成薄膜。为了确定聚合物基质和材料的哪些组合产生所述超导界面，可以测量组合的导电率并将该值与已知组合的组成的导电率进行对照。如果测量值大于最大的单独组分的导电率值，那么所述组合是超导的。
所述聚合物基质选自质子交换聚合物，非质子交换聚合物，及其组合。本文中所用的质子交换聚合物包括具有全氟磺酸(PFSA)侧链或具有磺酸盐(R-SO3-)官能团的侧链的聚合物。这些材料的例子列于下表1中。
表1  用作离平导体的聚合物
来源  名称 聚合物结构
Dupont  Nafion 在PTFE主链上的全氟侧链
Dow 在PTFE主链上的全氟侧链
W.L.Gore  Gore SelectTM 在基质中的PTFE主链上的全氟侧链
Ballard 三氟苯乙烯主链，具有衍生的侧链
Maxdem  Poly-XTM 聚对亚苯基主链
DAIS Corp. 在苯乙烯丁二烯主链上的磺化的侧链
Assorted 接枝到PTFE和其它主链上的磺化侧链
所述非质子交换聚合物包括聚烯烃(如聚丙烯和聚乙烯)，聚酯(如PET)，和其它聚合物，例如PBI(聚苯并咪唑)、PTFE(聚四氟乙烯)、PS(聚砜)、PVC(聚氯乙烯)、PVDF(聚偏1，1-二氟乙烯)、和PVDF共聚物如PVDF：HFP(聚偏1，1-二氟乙烯：六氟丙烯)。
适于产生超导界面的离子导电陶瓷材料选自β-氧化铝、SnO2(nH2O)，热解法二氧化硅、SiO2、热解法氧化铝、H4SiW12O2(28H2O)、锡丝光沸石/SnO2复合材料、磷酸锆-磷酸盐/二氧化硅复合材料。β-氧化铝指的是质子导电β’-氧化铝和/或β”-氧化铝(PCBA)，其可通过原料β-氧化铝(其化学式为Na(1+x)Al(11-x/2)O17或Na(1+x)Al11O(17+x/2))的质子离子交换方法获得。
虽然前述是针对本发明的优选的实施方案，可在不背离其基本范围的前提下修正本发明的其它和进一步的实施方案，其范围由以下的权利要求书来确定。

Claims (9)

1.燃料电池，包括阳极、阴极和夹在所述阳极和阴极之间的电解质，所述电解质是包括聚合物基质和适于产生超导界面的离子导电陶瓷材料的质子交换膜，所述陶瓷材料均匀分散在整个基质中，所述聚合物基质选自质子交换聚合物、非质子交换聚合物及其组合，所述材料选自β-氧化铝、SnO2(nH2O)，热解法二氧化硅、SiO2、热解法氧化铝、H4SiW12O2(28H2O)、锡丝光沸石/SnO2复合材料、磷酸锆-磷酸盐/二氧化硅复合材料。
2.权利要求1的燃料电池，其中聚合物基质与材料的体积比为10-70％的聚合物基质对30-90％的材料。
3.权利要求1的燃料电池，其中所述膜具有20-400微米的厚度。
4.权利要求1的燃料电池，其中所述质子交换聚合物是具有全氟磺酸(PFSA)侧链或具有磺酸盐(R-SO3-)官能团的侧链的聚合物。
5.权利要求1的燃料电池，其中所述非质子交换聚合物选自聚烯烃、聚酯、PBI、PTFE、PS、PVC、PVDF及其共聚物。
6.质子交换膜，包括聚合物基质和适于产生超导界面的离子导电陶瓷材料，所述陶瓷材料均匀分散在整个基质中，聚合物基质与材料的体积比为10-70％的聚合物基质对30-90％的材料，所述聚合物基质选自质子交换聚合物、非质子交换聚合物及其组合，所述材料选自β-氧化铝、SnO2(nH2O)，热解法二氧化硅、SiO2、热解法氧化铝、H4SiW12O2(28H2O)、锡丝光沸石/SnO2复合材料、磷酸锆-磷酸盐/二氧化硅复合材料。
7.权利要求6的聚合物交换膜，其中所述膜的厚度为20-400微米。
8.权利要求6的聚合物交换膜，其中所述质子交换膜是具有全氟磺酸(PFSA)侧链或具有磺酸盐(R-SO3-)官能团的侧链的聚合物。
9.权利要求6的聚合物交换膜，其中所述非质子交换聚合物选自聚烯烃、聚酯、PBI、PTFE、PS、PVC、PVDF及其共聚物。
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