CN1845366A - 电解质膜，其制造方法以及具有该电解质膜的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电解质膜，其包括一电解质基体，该电解质基体上形成有一金属膜。另，本发明还提供该电解质膜的制造方法，其包括以下步骤：提供一电解质基体；在该电解质基体上形成一金属膜。此外，本发明还提供一具有该电解质膜的燃料电池。本发明的电解质膜用于燃料电池时，其金属膜可有效阻止燃料穿过电解质膜到达阴极，减少燃料浪费、避免阴极效能降低，提高电池供电效率。

Description

电解质膜，其制造方法以及具有该电解质膜的燃料电池
【技术领域】
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种电解质膜、其制造方法及具有该电解质膜的燃料电池。
【背景技术】
燃料电池是利用电化学反应来发电的一种电池装置，其工作原理是利用燃料气体(如氢气)与助燃剂(如氧气)分别输送到电池的阳极与阴极，发生氧化与还原反应，将化学能转变为电能输出。燃料电池高效率、低污染的两大优势，使该技术自开发以来一直广受瞩目，目前，美国、日本、加拿大等经济发达国家政府已制定相关政策发展燃料电池。
质子交换膜燃料电池是第五代先进燃料电池，除具备燃料电池一般特点如不受卡诺循环(Carnot Cycle)限制、能量转化效率高等优点之外，同时还具有常温快速激活、无电解液流失、寿命长、比功率及比能量高等突出优点。质子交换膜燃料电池按照其所使用的燃料可分为两类：一类以纯氢或重整氢为原料的氢气燃料电池；另一类直接以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)。虽然氢气为质子交换膜燃料电池理想的燃料，但是，以纯氢为燃料时，氢气的储存、输送不仅有一定的危险性，而且建立氢气供应设备投资巨大；重整氢气虽可避免新建燃料供应设备，但却需要增添一气体重整净化过程，无疑会增加电池成本；加上氢气燃料电池的电池结构比较复杂，从而一定程度上限制了其大规模应用。相对而言，直接甲醇燃料电池最突出在于，其燃料改用液态甲醇取代氢气作燃料，大幅度提升燃料电池携带性及安全性，可方便应用于各种携带性电器用品如笔记本计算机、PDA、GPS上等。
质子交换膜的甲醇渗透问题是直接甲醇燃料电池目前存在的主要技术难题。氢气燃料电池中广泛采用的全氟磺酸膜如Nafion系列膜具有较高的甲醇渗透率。甲醇穿过质子交换膜到达阴极，一方面与氧发生不产生电流的反应，造成氧化剂浪费；另一方面甲醇占据氧化剂的活性位置，造成氧气无法被有效还原，致使阴极效能降低，从而降低电池的整体性能。因此，降低甲醇通过质子交换膜的渗透率，制备出阻醇能力好、高性能、低成本的质子交换膜是开发高性能直接甲醇燃料电池的关键所在。
2004年9月15日公告的专利号为02115185.7的中国专利揭示一种直接甲醇燃料电池用聚苯乙烯磺酸膜，其以聚苯乙烯为原料，在惰性气体保护下，采用酰化剂与浓硫酸的络合物作为磺化剂，制备聚苯乙烯磺酸膜。其中，制备过程中通过控制磺化程度以及磺酸基团的分布状况，对聚苯乙烯磺酸膜进行改性，在不影响膜的质子传导性能的前提下，降低甲醇在膜内的穿透率，提高膜材料的阻醇性能。
日本富士通研究所在2004年12月8日公布了一款用于笔记本计算机的直接甲醇燃料电池的试制品，该电池的最大输出功率为15W，使用300ml甲醇溶液时，可驱动该公司笔记本计算机“FMV-BIBLOMG55E”运行8～10小时。其所用高分子电解质膜的材料具有芳香族主链接构，与原来普遍使用的氟化树脂相比，高分子的空间结构有很大区别。该高分子电解质膜具有一定刚性且很细密，与工程塑料同等坚固，对甲醇渗透通过电解质膜的防范效果大约提高五倍。采用该种高分子电解质膜，即便甲醇溶液浓度为30％，也未发生渗透现象而导致输出功率下降。
2005年2月24日公开的公开号为20050042499的美国专利申请揭示一种DMFC系统。参阅图1，该DMFC结构具有一阴极2，一阳极11及一电解质膜4，阴极2与阳极11位于电解质膜4的异侧，一阳极3设置在电解质膜4内部并与阳极11电连接，其将电解质膜4分为区域12与区域13。甲醇要从阳极11穿透电解质膜4到达阴极2，需经过阳极3，到达该阳极3的甲醇将会发生氧化反应被消耗，因此，到达区域13的甲醇将会大大减少。因此，该DMFC结构利用设置多个阳极，使得甲醇逐步减少，有效阻止甲醇穿过电解质膜。
总之，为解决DMFC系统中，甲醇穿过电解质膜影响电池性能这一技术难点，有必要提供一种能有效抑制甲醇的穿透现象，使DMFC的性能得到较好发挥的电解质膜。
【发明内容】
以下，将以实施例说明电解质膜，其制造方法及具有该电解质膜的燃料电池。
为实现上述内容，提供一种电解质膜，其包括一电解质基体，该电解质基体上形成有一金属膜。
该电解质基体采用普通质子交换膜，其包括聚乙烯磺酸膜、聚苯乙烯磺酸膜或全氟磺酸系列膜。
另，提供一种电解质膜的制造方法，其包括以下步骤：提供一电解质基体；在该电解质基体上形成有一金属膜。
又，提供一种燃料电池，其具有一阳极，一阴极；一电解质膜设置在该阳极与该阴极之间，该电解质膜上形成有一金属膜。
上述金属膜包括Ni、Pd、Pt或Au。
上述电解质膜的阳极侧、阴极侧、或阳极侧与阴极侧均形成有上述金属膜。
本技术方案的电解质膜采用普通质子交换膜作为基体，该基体上形成有一金属膜。采用该电解质膜的燃料电池工作时，该金属膜可有效阻止燃料穿过电解质膜到达阴极，减少燃料浪费、避免阴极效能降低，提高电池供电效率。
【附图说明】
图1是美国专利申请第20050042499号揭示的电解质膜结构示意图。
图2是本发明实施例的直接甲醇燃料电池结构示意图。
图3是本发明实施例的电解质膜结构示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图及实施例对电解质膜，其制造方法及具有该电解质膜的燃料电池作进一步详细说明。
图2是直接甲醇燃料电池简易结构示意图，包括一电解质膜100，一阳极200及一阴极300。该电解质膜100具有一电解质基体110，一金属膜120形成于该电解质基体110上，其成分通常包括Ni、Pd、Pt或Au等，其可以阻止甲醇燃料通过。
该电解质基体110为普通质子交换膜，质子交换膜系燃料电池的一种电解质，通常为传导质子的固体高分子膜或固体聚合物膜。目前常用美国Du Pont公司的全氟磺酸膜Nafion系列膜，如Nafion117、115、112、105等。
阳极200与阴极300通常所用材料为石墨、复合碳材或金属。此外，阳极200与阴极300包括触媒、气体扩散层等。
该电解质膜的制造方法包括以下步骤：首先，制备电解质基体；在该电解质基体上形成一金属膜。
首先，提供电解质基体。
本实施例所用的电解质基体包括普遍采用的全氟磺酸系列膜，也可采用先前技术所公开使用的阻醇性能较好的质子交换膜如聚乙烯磺酸膜，或聚苯乙烯磺酸膜等。
其次，在电解质基体110上形成金属膜120。
金属膜120主要用来阻止燃料穿过电解质基体到达阴极，避免阴极性能下降且燃料浪费。金属膜120可形成于电解质基体110的阳极侧、阴极侧或阳极侧与阴极侧均有。形成于阳极侧时，可阻止燃料进入电解质基体110，避免燃料浪费；形成于阴极侧时，燃料可进入电解质基体110中，但不会穿过到达阴极，避免燃料影响阴极性能，还可阻止阴极的氧化剂进入电解质基体110中，避免其浪费；阳极侧与阴极侧均形成有金属膜120时，燃料与氧化剂均不会进入电解质基体110中。
原子沉积法是材料表面形成膜层方法之一，原子沉积法可分为液相沉积法与气相沉积法。液相沉积法包括电镀、无电镀、电泳等；气相沉积法包括物理气相沉积法、化学气相沉积法等。通常情况下，气相沉积法比传统液相沈积法成膜效果好，但成本高。
针对本实施例的电解质基体110上形成金属膜120，可采用物理气相沉积法。物理气相沉积法包括蒸发、溅镀、离子镀等，其中，溅镀因其具有极佳的沉积效率、大面积沉积厚度的可控性、精确的成分控制等优点而被广泛采用。
本实施例的电解质基体110上形成金属膜120，也可利用液相沉积法，考虑到电解质基体110非导体，故采用无电镀法。无电镀，即化学镀，该方法只需将待镀材料浸入化学溶液中，经化学反应在材料表面形成一层膜。该方法操作简单，成本低。实际应用中，通常将气相沉积与化学镀相结合使用。
金属膜120的厚度对其阻醇性能有很大影响，厚度愈大，阻醇性能愈好。实际中燃料电池要求金属膜120的厚度较大时，采用气相沉积成本较高。因此，可将气相沉积与化学镀相结合。如图3所示，首先采用气相沉积法在电解质基体110上形成厚度较小的一第一金属薄膜121，其次采用化学镀法在第一金属薄层121上形成所需厚度的第二金属薄膜122。
因此，实际应用中对金属膜120的厚度要求较小时，可直接采用气相沉积便可。
下面将对本实施例的直接甲醇燃料电池工作过程作详细说明：
甲醇水溶液作为燃料从阳极输入燃料电池系统中，在阳极催化剂的作用下，甲醇与水反应产生氢离子(质子)、电子及二氧化碳。阳极反应方程式如下：
    (1)
反应生成的氢离子(质子)可通过电解质膜100到达阴极300，电子经外电路到达阴极300，此过程即为燃料电池向负载供电的过程。
空气或氧气从阴极输入燃料电池系统中，在阴极催化剂作用下，氧气与达阴极的氢离子(质子)、电子结合生成水。阴极反应方程式如下：
  (2)
结合方程式(1)、(2)可得燃料电池反应总方程如下：
  (3)
直接甲醇燃料电池中，燃料甲醇溶液在阳极发生反应时，部分甲醇会穿过电解质膜向阴极扩散，形成有Ni、Pd、Pt或Au的金属膜120可有效阻止甲醇穿过。
本实施例以直接甲醇燃料电池为例，采用涂覆金属膜120的电解质膜100，可防止甲醇到达阴极，既降低阴极性能又浪费燃料，从整体上降低直接甲醇燃料电池效能。
本实施例的电解质膜100不限于直接甲醇燃料电池，对于采用其它燃料如氢气、乙醇、乙二醇、醚类等燃料电池，只要改变该金属膜120的成分便可同样阻止燃料穿过电解质膜100。此外，金属膜120不仅对燃料穿过电解质膜具有阻止作用，也可阻止阴极的氧化剂如空气或氧气穿过电解质膜，避免氧化剂的浪费。
本发明的电解质膜采用普通质子交换膜作为基体，该基体上形成有一金属膜。采用该电解质膜的燃料电池工作时，该金属膜层可有效阻止燃料穿过电解质膜到达阴极，减少燃料浪费、避免阴极效能的降低，提高电池供电效率。

Claims (17)

1.一种电解质膜，其包括一电解质基体，其特征在于，该电解质基体上形成有一金属膜。
2.如权利要求1所述的电解质膜，其特征在于，该电解质基体为普通质子交换膜。
3.如权利要求1所述的电解质膜，其特征在于，该普通质子交换膜包括聚乙烯磺酸膜、聚苯乙烯磺酸膜或全氟磺酸系列膜。
4.如权利要求1所述的电解质膜，其特征在于，该金属膜包括一第一金属膜与一第二金属膜，该第二金属膜形成于第一金属膜上。
5.如权利要求1或4所述的电解质膜，其特征在于，该金属膜包括Ni、Pd、Pt或Au。
6.一种燃料电池，其具有一阳极；一阴极；一电解质膜设置于该阳极与该阴极之间；其特征在于，该电解质膜上形成有一金属膜。
7.如权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，该金属膜包括Ni、Pd、Pt或Au。
8.如权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，该电解质膜的阳极侧形成有金属膜。
9.如权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，该电解质膜的阴极侧形成有金属膜。
10.如权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，该电解质膜的阳极侧与阴极侧均形成有金属膜。
11.如权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，该燃料电池所用燃料包括氢气、甲醇、乙醇或乙二醇。
12.一种电解质膜的制造方法，其包括以下步骤：
提供一电解质基体；
在该电解质基体上形成一金属膜。
13.如权利要求12所述的电解质膜的制造方法，其特征在于，该电解质基体为普通质子交换膜。
14.如权利要求13所述的电解质膜的制造方法，其特征在于，该普通质子交换膜包括聚乙烯磺酸膜、聚苯乙烯磺酸膜或全氟磺酸系列膜。
15.如权利要求12所述的电解质膜的制造方法，其特征在于，该电解质基体上形成金属膜包括以下步骤：
预先形成一第一金属膜；
在第一金属膜层上形成一第二金属膜。
16.如权利要求15所述的电解质膜的制造方法，其特征在于，该第一金属膜利用物理气相沉积法形成于电解质膜上。
17.如权利要求15所述的电解质膜的制造方法，其特征在于，该第二金属膜采用无电镀法形成于电解质膜上。
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