TWI740542B - 耐高溫質子交換膜、膜電極組、燃料電池、及發電裝置 - Google Patents

耐高溫質子交換膜、膜電極組、燃料電池、及發電裝置 Download PDF

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TWI740542B
TWI740542B TW109120224A TW109120224A TWI740542B TW I740542 B TWI740542 B TW I740542B TW 109120224 A TW109120224 A TW 109120224A TW 109120224 A TW109120224 A TW 109120224A TW I740542 B TWI740542 B TW I740542B
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余子隆
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Abstract

本發明公開一種耐高溫質子交換膜、膜電極組、燃料電池、及發電裝置。耐高溫質子交換膜具有介於25微米至175微米的膜厚、且包含網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物及耐高溫有機高分子黏合劑。基於耐高溫質子交換膜的總重為100wt%，耐高溫有機高分子黏合劑的重量範圍介於5wt%至40wt%之間，並且耐高溫質子交換膜具有介於200℃至230℃之間的耐熱溫度。

Description

耐高溫質子交換膜、膜電極組、燃料電池、及發電裝置
本發明涉及一種質子交換膜，特別是涉及一種耐高溫質子交換膜、及包含有耐高溫質子交換膜的膜電極組、燃料電池、及發電裝置。
在現有技術中，目前應用於質子交換膜燃料電池中技術發展較成熟的質子交換膜大致上可以區分成兩種系列：(1)具有操作溫度介於室溫至90℃之間的全氟磺酸樹脂(perfluorosulfonic acid，PFSA)，例如：DuPont公司的Nafion；及(2)具有操作溫度介於120℃與190℃之間的聚苯並咪唑(polybenzimidazole，PBI)。
在發電裝置中，一般產氫重組器(如：甲醇產氫重組器)的操作溫度大部分都高於220℃以上。目前應用於質子交換膜燃料電池中，具有操作溫度最高的質子交換膜是聚苯並咪唑摻合磷酸(PBI/H3PO4)，或是改質聚苯並咪唑摻合磷酸(modiifed-PBI/H3PO4)，該些質子交換膜的最高操作溫度約為190℃。
由於上述質子交換膜燃料電池的操作溫度與產氫重組器的操作溫度之間具有一段差距，因此上述PBI/H3PO4系列的質子交換膜燃料電池與產氫重組器之間銜接的系統整合具有複雜性。
對燃料電池而言，由於上述燃料電池的操作溫度低於產氫重組器的操作溫度，因此產氫重組器所產生的氫氣在進入燃料電池以前，需在系統中設置散熱裝置，以降低氫氣的溫度，從而避免燃料電池有過熱的現象。
對產氫重組器而言，由於上述產氫重組器的操作溫度高於220℃以上，因此需在系統中設置加熱裝置，以提供產氫重組器產生氫氣所需的熱源。基於上述理由，燃料電池與產氫重組器之間的系統整合，由於需要在系統中設置加熱裝置及散熱裝置，從而導致系統設計的複雜性。
於是，本發明人認為上述缺陷可改善，乃特潛心研究並配合科學原理的運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺陷的本發明。
基於上述的技術問題，若能使燃料電池與產氫重組器的操作溫度一致或接近，則燃料電池運轉時產生的熱能可以足夠提供給產氫重組器運轉時的熱能需求，產氫重組器不需要額外裝置加熱器。同時，因產氫重組器與燃料電池的操作溫度一致或接近，產氫重組產生的氫氣可以直接進入燃料電池中，燃料電池不需要因為產氫重組器的操作溫度過高而加裝散熱器。據此，發電裝置的系統設計可以被簡化。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種耐高溫質子交換膜，其具有介於25微米至175微米的一膜厚，其特徵在於，所述耐高溫質子交換膜包括：一網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物；以及一耐高溫有機高分子黏合劑，其與所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物彼此摻合；其中，基於所述耐高溫質子交換膜的總重為100wt%，所述耐高溫有機高分子黏合劑的重量範圍是介於5wt%至40wt%之間；並且，所述耐高溫質子交換膜具有介於200℃至230℃之間的一耐熱 溫度。
優選地，所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物與所述耐高溫有機高分子黏合劑的重量比例範圍是介於6~9：1~4之間。
優選地，所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物是由烷基磷酸-烷基矽氧烷之單體進行聚合化學反應所形成。
優選地，所述耐高溫有機高分子黏合劑是選自由下列聚合物群組中的任一聚合物或多個聚合物摻合所構成：聚苯並咪唑、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醯亞胺、線型酚醛環氧樹脂。
優選地，所述耐高溫有機高分子黏合劑是選自由下列聚合物群組中的任一聚合物或多個聚合物摻合所構成：磷酸接枝聚苯並咪唑、磷酸接枝聚醚酮、磷酸接枝聚醚醚酮、磷酸接枝聚醯亞胺、磷酸接枝線型酚醛環氧樹脂、磺酸接枝聚苯並咪唑、磺酸接枝聚醚酮、磺酸接枝聚醚醚酮、磺酸接枝聚醯亞胺、磺酸接枝線型酚醛環氧樹脂。
優選地，所述耐高溫質子交換膜進一步包括：一磷酸溶液，其滲入於所述耐高溫質子交換膜的結構中、且浸潤於所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物及所述耐高溫有機高分子黏合劑之間。
優選地，所述磷酸溶液是通過將所述耐高溫質子交換膜含浸於所述磷酸溶液中，以使得所述磷酸溶液滲入所述耐高溫質子交換膜中；其中，在將所述耐高溫質子交換膜含浸於所述磷酸溶液的過程中，所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物的重量定義為X克，所述耐高溫有機高分子黏合劑的重量定義為Y克，所述磷酸溶液的重量定義為Z克，並且Z/(X+Y)的比值是介於1至9之間。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是，提供一種膜電極組，其包括如上所述的耐高溫質子交換膜。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是，提供一種燃料電池，其包括如上所述的膜電極組。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是，提供一種發電裝置，其包括：如上所述的燃料電池；以及一產氫重組器；其中，所述質子交換膜燃料電池具有介於200℃至230℃之間的一最高操作溫度，所述產氫重組器具有不小於220℃的一最低操作溫度，並且所述發電模組未設置有額外的加熱元件及散熱元件。
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的耐高溫質子交換膜、膜電極組、燃料電池、及發電裝置，其能通過“所述耐高溫質子交換膜包括：一網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物；以及一耐高溫有機高分子黏合劑，其與所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物彼此摻合”以及“基於所述耐高溫質子交換膜的總重為100wt%，所述耐高溫有機高分子黏合劑的重量範圍是介於5wt%至40wt%之間；並且，所述耐高溫質子交換膜具有介於200℃至230℃之間的一耐熱溫度”的技術方案，以使得質子交換膜燃料電池的操作溫度可以接近於產氫重組器的操作溫度，從而簡化了燃料電池及產氫重組器之銜接整合系統。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
100:耐高溫質子交換膜
A:網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物
B:耐高溫有機高分子黏合劑
圖1為本發明實施例耐高溫質子交換膜的結構型態示意圖。
圖2為電流密度-電位(i-V)的測試數據，操作溫度為160℃，相對溼度為0%RH，測試對象包含本發明實施例的膜電極組(--●--)及傳統 PBI/H3P04的膜電極組(--■--)。
圖3為本發明實施例的膜電極組於燃料電池長時間連續操作下之電流密度-電位(i-V)的測試數據，操作溫度為210℃，相對溼度為0%RH。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。
應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者信號，但這些元件或者信號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
[質子交換膜]
如圖1所示，其為本發明實施例耐高溫質子交換膜的結構型態示意圖，本發明實施例提供一種新穎的耐高溫質子交換膜100(proton exchange membrane，PEM)，其具有高的耐熱溫度，因此能使得燃料電池與產氫重組器的操作溫度一致或接近。藉此，發電裝置的系統設計可以被簡化。
為了實現上述目的，本實施例的耐高溫質子交換膜100包含有一網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物A(crosslinked alkyl phosphoric acid grafted polysiloxane compound)以及一耐高溫有機高分子黏合劑B(high temperature resistant organic polymer binder)，並且所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物A與耐高溫有機高分子黏合劑B彼此摻合。
更具體地說，請繼續參閱圖1所示，在所述質子交換膜100中，所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物A呈彼此分散的多個塊狀或粒狀，並且所述耐高溫有機高分子黏合劑B是黏合於呈多個塊狀的網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物A之間。由於所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物A本身的機械性質較弱，因此本發明主要是通過耐高溫有機高分子黏合劑B的導入，以使得所述質子交換膜100的機械強度與韌性能被提升。
另外，本實施例的耐高溫質子交換膜100優選具有25微米至175微米的一膜厚、且特優選介於30微米至120微米之間，以使所述耐高溫質子交換膜100能適用在燃料電池中的膜電極組上。
為了使所述耐高溫質子交換膜100具有良好的成膜效果，所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物A及耐高溫有機高分子黏合劑B各自具有優選的含量範圍。具體而言，基於所述耐高溫質子交換膜的總重為100wt%，所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物A的重量範圍是介於60wt%至95wt%之間，並且所述耐高溫有機高分子黏合劑B的重量範圍是介於5wt%至40wt%之間。
在本發明的一實施例中，所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物A與耐高溫有機高分子黏合劑B之間的重量比例範圍優選是介於6~9：1~4之間、且特優選是介於6~8：2~4之間，但本發明不受限於此。根據上述各成份的重量範圍，所述耐高溫質子交換膜100可以具有介於200℃至230℃之間的一耐熱溫度。
若所述耐高溫有機高分子黏合劑B的重量範圍低於上述所界定 的範圍(如：黏合劑B的含量低於5wt%)，則所述耐高溫質子交換膜100的成膜效果可能會變差(如：質子交換膜的結構會變得鬆散且機械強度變差)。反之，若所述耐高溫有機高分子黏合劑B的重量範圍高於上述所界定的範圍，則所述耐高溫質子交換膜100的物化特性可能不適合用在燃料電池中的膜電極組上。
進一步地說，所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物A是由烷基磷酸-烷基矽氧烷(三烷基氧)之單體進行聚合化學反應所形成。其中，所述烷基磷酸-烷基矽氧烷之單體具有如式(a)的化學通式：
Figure 109120224-A0305-02-0009-3
其中，R1為-CnH2n-之取代基，並且n為介於1至8的正整數。在本發明的多個具體實施例中，R1為-CH2-,-C2H4-,C3H6-,-C4H8-,-C5H10-，或-C6H12-...等取代基。再者，R2為-CnH2n+1之取代基(烷基)，並且n為介於1至8的正整數。在本發明的多個具體實施例中，R2為-CH3,-C2H5,C3H7,-C4H9,-C5H11，或-C6H13...等取代基。
再者，所述耐高溫有機高分子黏合劑B是選自由下列聚合物群組中的任一聚合物或多個聚合物摻合所構成：聚苯並咪唑(polybenzimidazole，PBI)、聚醚酮(poly(ether ketone)，PEK))、聚醚醚酮(poly(ether ether ketone)，PEEK)、聚醯亞胺(polyimide，PI)、線型酚醛環氧樹脂(novolac epoxy resin)。
為了使所述耐高溫有機高分子黏合劑B與網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物A之間具有更好的相容性，所述耐高溫有機高分子黏合 劑B也可以例如是接枝有磷酸(phosphoric acid)或磺酸(sulfonic acid)的高分子黏合劑。
舉例而言，所述耐高溫有機高分子黏合劑B是選自由下列聚合物群組中的任一聚合物或多個聚合物摻合所構成：磷酸接枝聚苯並咪唑、磷酸接枝聚醚酮、磷酸接枝聚醚醚酮、磷酸接枝聚醯亞胺、磷酸接枝線型酚醛環氧樹脂、磺酸接枝聚苯並咪唑、磺酸接枝聚醚酮、磺酸接枝聚醚醚酮、磺酸接枝聚醯亞胺、磺酸接枝線型酚醛環氧樹脂，但本發明不受限於此。
在本發明的一實施例中，所述耐高溫質子交換膜100進一步包含有滲入於所述耐高溫質子交換膜100的結構中的一磷酸溶液，並且，所述磷酸溶液是浸潤於網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物A及耐高溫有機高分子黏合劑B之間。
進一步地說，所述磷酸溶液是通過將耐高溫質子交換膜100含浸於磷酸溶液中，以使得所述磷酸溶液滲入耐高溫質子交換膜100中。
其中，在將所述耐高溫質子交換膜100含浸於磷酸溶液的過程中，所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物A的重量定義為X克，所述耐高溫有機高分子黏合劑B的重量定義為Y克，所述磷酸溶液的重量定義為Z克，並且Z/(X+Y)的比值是介於1至9之間，但本發明不受限於此。藉此，所述磷酸溶液能有效地滲入高溫質子交換膜100的結構中，並且所述磷酸溶液能使得高溫質子交換膜100在燃料電池的應用上產生更優異的表現。
在本發明的一實施例中，所述耐高溫質子交換膜100能用於製備一膜電極組(membrane electrode assembly，MEA)。
在本發明的一實施例中，所述膜電極組能用在一燃料電池(fuel cell)中。
在本發明的一實施例中，所述燃料電池能與一產氫重組器(如：甲醇產氫重組器)共同組成為一發電裝置。其中，所述質子交換膜燃料電池具有介於200℃至230℃之間、且優選介於205℃至230℃之間的一最高操作溫度，所述產氫重組器具有不小於220℃的一最低操作溫度，並且所述發電模組中未設置有額外的加熱元件及散熱元件。
[質子交換膜的製備方式]
以上為本發明耐高溫質子交換膜的材料及結構特徵的說明。以下接著說明所述耐高溫質子交換膜的製備方式，但該製備方式僅為示意性說明，本發明的耐高溫質子交換膜不限於通過該製備方式而形成。也就是說，本發明的耐高溫質子交換膜也可以例如是通過其它合適的製備方式而形成。
本發明實施例也提供一種耐高溫質子交換膜的製造方，其包含有步驟S110至步驟S170。必須說明的是，本實施例所載之各步驟的順序與實際的操作方式可視需求而調整，並不限於本實施例所載。
所述步驟S110包含：將6重量份至8重量份的烷基磷酸-烷基矽氧烷之單體及2重量份至4重量份的耐高溫有機高分子黏合劑，以30重量份至60重量份的有機溶劑進行溶解，以形成一塗佈溶液。
在本實施例中，上述烷基磷酸-烷基矽氧烷之單體為二乙基磷酰乙基三乙氧基矽烷(diethyl phosphatoethyl-triethoxysilane，DEPE-TEOS)，耐高溫有機高分子黏合劑為聚苯並咪唑(polybenzimidazole，PBI)，並且有機溶劑為二甲基乙醯胺(dimethylacetamide，DMAc)，但本發明不受限於此。
所述步驟S120包含：將上述包含有烷基磷酸-烷基矽氧烷之單體及耐高溫有機高分子黏合劑的塗佈溶液、塗佈於一基材上、且將所述有機溶劑進行蒸發，以於所述基材上形成一膜材。
所述步驟S130包含：使上述烷基磷酸-烷基矽氧烷之單體進行聚合化學反應。具體而言，步驟S130包含：將上述膜材置放於一真空環境下、且在介於130℃至140℃之間的一反應溫度及介於6小時至10小時之間的一反應時間下進行反應，以使烷基磷酸-烷基矽氧烷之單體進行聚合化學反應。
在本實施例中，所述塗佈溶液是以刮刀刮膜塗布於玻璃平板(基材)上，但本發明不受限於此。
另外，上述烷基磷酸-烷基矽氧烷單體的聚合反應可以繼續於下述步驟中進行、且依循以下化學反應方程式(a-1)至(a-4)，以形成一網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物。
所述步驟S140包含：將上述膜材浸入於一鹽酸(HCl)溶液中，以進行氧烷基水解反應(hydrolysis of ethoxyl-silane)，其反應方程式如下式(a-1)，而後將所述膜材從鹽酸溶液中取出。其中，所述鹽酸溶液的濃度優選是介於11M至13M之間、且特優選為12M。所述鹽酸溶液的液體溫度優選是介於60℃至80℃之間、且特優選是介於65℃至75℃之間。再者，所述膜材浸入於鹽酸溶液中的水解反應時間優選是介於22小時至26小時之間、且特優選是介於23小時至25小時之間，但本發明不受限於此。
Figure 109120224-A0305-02-0012-4
所述步驟S150包含：將上述膜材置放於一真空環境下、且在介於110℃至130℃之間的一反應溫度及介於22小時至26小時之間的一反應時間下進行反應，以進行矽烷的自縮合反應(self-condensation of silane)，反應方程式如下式(a-2)至(a-4)，從而形成所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧 烷化合物，如下式(a-4)。
Figure 109120224-A0305-02-0013-5
Figure 109120224-A0305-02-0013-6
Figure 109120224-A0305-02-0013-7
所述步驟S160包含：將上述膜材浸入於去離子水、且置放4小 時至8小時，以洗去上述膜材內的氯離子，而後，將上述膜材從去離子水中取出，並在90℃至110℃之間的烘乾溫度下烘乾。
所述步驟S170包含：將上述膜材浸入於一磷酸溶液(phosphoric acid solution)、且置放30分鐘至2小時，以使得所述磷酸溶液滲入於膜材的結構中，從而完成質子交換膜的製備。其中，所述磷酸溶液的濃度是介於80wt%至90wt%之間，並且所述磷酸溶液的溶液溫度是介於70℃至90℃之間。
[膜電極組的製備方式及單電池性能測試]
以下接著說明本發明實施例膜電極組的製備方式及單電池性能測試。所述膜電極組的製備方式包含有步驟S210至步驟S240。必須說明的是，本實施例所載之各步驟的順序與實際的操作方式可視需求而調整，並不限於本實施例所載。
所述步驟S210包含：製備一觸媒漿料溶液，其包含將碳鉑金(Pt-C)、聚苯咪唑(PBI)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、二甲基乙醯胺(DMAc)以Pt-C：PBI：PVP：DMAc=18~20：0.5~2.0：0.2~0.8：250~350的重量比例範圍進行混合。
所述步驟S220包含：將所述觸媒漿料溶液塗布於陽極及陰極氣體擴散層上(Pt loading 0.5mg/cm2)；接著，於130℃至140℃的溫度下真空烘乾0.5小時至2小時，以使得所述觸媒漿料形成為一觸媒電極；接著，將所述觸媒電極浸泡於蒸餾水中0.5小時至3小時。
所述步驟S230包含：將步驟S220中所製備的觸媒電極浸泡於一磷酸溶液中(濃度約5wt%至15wt%)、且置放10小時至14小時；接著，於100℃至120℃的溫度下進行烘乾；接著，將所述觸媒電極依據一預定尺寸進行剪裁。其中，所述預定尺寸可以例如是3.5*3.5cm2，但本發明不受限於此。
所述步驟S240包含：將上述步驟S110至步驟S170所製備的質子 交換膜的兩側分別置放所述觸媒電極，以形成一膜電極組(membrane electrode assembly，MEA)。
在本實施例中，上述膜電極組被用於製備一燃料電池。在一單電池性能的測試中，單電池的測試條件包含：溫度為160℃及210℃、H2/air氣體濕度0%RH、及無背壓。單電池性能的測試結果顯示於圖2及圖3中。
其中，圖2為電流密度-電位(i-V)的測試數據，操作溫度為160℃，相對溼度為0%RH，測試對象包含本發明實施例的膜電極組(--●--)及傳統PBI/H3P04的膜電極組(--■--)。圖3為本發明實施例的膜電極組於燃料電池長時間連續操作下之電流密度-電位(i-V)的測試數據，操作溫度為210℃，相對溼度為0%RH。
由圖2及圖3的測試結果可以得知，由本發明實施例耐高溫質子交換膜所製得的質子交換膜燃料電池相較於現有的聚苯並咪唑摻合磷酸(PBI/H3PO4)及其改質的質子交換膜燃料電池在160℃的操作溫度下，具有較優異的性能(如圖2)。由本發明實施例耐高溫質子交換膜所製得的質子交換膜燃料電池之操作溫度可高達210℃(如圖3)，其相較於現有的PBI/H3PO4或改質modified-PBI/H3PO4的質子交換膜燃料電池的最高操作溫度190℃相較，高出了20℃。據此，本發明實施例的質子交換膜燃料電池的操作溫度接近產氫重組器的操作溫度，其可簡化燃料電池及產氫重組器之銜接整合系統。
進一步地說，本發明實施例所製作的膜電極組(membrane electrode assembly，MEA)，其單電池操作溫度可高達210℃，在電壓0.6V的電流密度i=1080mA/cm2，最高功率密度(power density)約為390mW/cm2(在i=1080mA/cm2、H2/air、0%RH、無背壓...等條件下)。在210℃，電流密度i=200mA/cm2，其經32小時連續操作，電池數據穩定。由於操作溫度210℃接近產氫重組器的操作溫度，因此其與產氫重組器結合，燃料電池運轉產 生的熱可直接供給產氫重組器使用。整合的重組器及燃料電池的系統設計，可有效減少加熱與散熱裝置在設計上的複雜性。
本發明實施例所提供的質子交膜燃料電池特別適合用於中小型定置型之質子交換膜燃料電池。目前燃料電池的產業正起步萌芽中，本發明實施例所提供的發電裝置可搭配太陽能電池或重組器產氫系統，而應用於住家、公司、工廠等建物之夜間或日照不足時發電使用，從而降低石油、燃煤、核能等非綠色能源發電使用量，並且降低環境污染。
在應用領域上，本發明實施例所提供的質子交膜燃料電池可以應用於小型燃料電池發電機、小型燃料電池運輸載具、燃料電池電動堆高機、燃料電池電動拖板車、及備用電源...等。
[實施例的有益效果]
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的耐高溫質子交換膜、膜電極組、燃料電池、及發電裝置，其能通過“所述耐高溫質子交換膜包括：一網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物；以及一耐高溫有機高分子黏合劑，其與所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物彼此摻合”以及“基於所述耐高溫質子交換膜的總重為100wt%，所述耐高溫有機高分子黏合劑的重量範圍是介於5wt%至40wt%之間；所述耐高溫質子交換膜具有介於200℃至230℃之間的一耐熱溫度”的技術方案，以使得質子交換膜燃料電池的操作溫度可以接近於產氫重組器的操作溫度，從而簡化了燃料電池及產氫重組器之銜接整合系統。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
Figure 109120224-A0305-02-0002-2
100:耐高溫質子交換膜
A:網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物
B:耐高溫有機高分子黏合劑

Claims (10)

  1. 一種耐高溫質子交換膜，其具有介於25微米至175微米的一膜厚，其特徵在於，所述耐高溫質子交換膜包括：一網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物；以及一耐高溫有機高分子黏合劑，其與所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物彼此摻合；其中，基於所述耐高溫質子交換膜的總重為100wt%，所述耐高溫有機高分子黏合劑的重量範圍是介於5wt%至40wt%之間；並且，所述耐高溫質子交換膜具有介於200℃至230℃之間的一耐熱溫度。
  2. 如請求項1所述的耐高溫質子交換膜，其中，所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物與所述耐高溫有機高分子黏合劑的重量比例範圍是介於6~9：1~4之間。
  3. 如請求項1所述的耐高溫質子交換膜，其中，所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物是由烷基磷酸-烷基矽氧烷之單體進行聚合化學反應所形成；其中，所述烷基磷酸-烷基矽氧烷之單體具有如式(a)的化學通式：
    Figure 109120224-A0305-02-0018-8
     其中，R1為-CnH2n-之取代基，且n為介於1至8的正整數；其中，R2為-CnH2n+1之取代基，且n為介於1至8的正整數。
  4. 如請求項1所述的耐高溫質子交換膜，其中，所述耐高溫有機高分子黏合劑是選自由下列聚合物群組中的任一聚合物或多個聚合物摻合所構成：聚苯並咪唑、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醯亞胺、線型酚醛環氧樹脂。
  5. 如請求項1所述的耐高溫質子交換膜，其中，所述耐高溫有 機高分子黏合劑是選自由下列聚合物群組中的任一聚合物或多個聚合物摻合所構成：磷酸接枝聚苯並咪唑、磷酸接枝聚醚酮、磷酸接枝聚醚醚酮、磷酸接枝聚醯亞胺、磷酸接枝線型酚醛環氧樹脂、磺酸接枝聚苯並咪唑、磺酸接枝聚醚酮、磺酸接枝聚醚醚酮、磺酸接枝聚醯亞胺、磺酸接枝線型酚醛環氧樹脂。
  6. 如請求項1所述的耐高溫質子交換膜，其進一步包括：一磷酸溶液，其滲入於所述耐高溫質子交換膜的結構中、且浸潤於所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物及所述耐高溫有機高分子黏合劑之間。
  7. 如請求項6所述的耐高溫質子交換膜，其中，所述磷酸溶液是通過將所述耐高溫質子交換膜含浸於所述磷酸溶液中，以使得所述磷酸溶液滲入所述耐高溫質子交換膜中；其中，在將所述耐高溫質子交換膜含浸於所述磷酸溶液的過程中，所述網狀交聯烷基磷酸接枝聚矽氧烷化合物的重量定義為X克，所述耐高溫有機高分子黏合劑的重量定義為Y克，所述磷酸溶液的重量定義為Z克，並且Z/(X+Y)的比值是介於1至9之間。
  8. 一種膜電極組，其包括：如請求項1至7中任一項所述的耐高溫質子交換膜。
  9. 一種燃料電池，其包括：如請求項8所述的膜電極組。
  10. 一種發電裝置，其包括：如請求項9所述的質子交換膜燃料電池；以及一產氫重組器；其中，所述質子交換膜燃料電池具有介於200℃至230℃之間的一最高操作溫度，所述產氫重組器具有不小於220℃的一最低操作溫度，並且所述發電模組未設置有額外的加熱元件及散熱元件。
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US20090048395A1 (en) * 2006-02-17 2009-02-19 Basf Se Oligomeric and polymeric siloxanes substituted by arylphosphonic acids
CN1867614B (zh) * 2003-09-11 2010-09-08 美国丰田技术中心公司 磷酸接枝的杂化无机-有机质子电解质膜(PEMs)

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Ethyl phosphoric acid grafted amino-modified polybenzimidazole with improved long-term stability for high-temperature proton exchange membrane applications", International Journal of Hydrogen Energy, Vol 45, Issue 4, p3176-3785, 2020-01-24 *
Ethyl phosphoric acid grafted amino-modified polybenzimidazole with improved long-term stability for high-temperature proton exchange membrane applications", International Journal of Hydrogen Energy, Vol 45, Issue 4, p3176-3785, 2020-01-24。

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