專利名稱：燃料電池用的聚合物電解質(zhì),其生產(chǎn)方法,及含其的燃料電池系的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的聚合物電解質(zhì)薄膜、生產(chǎn)它的方法、和包括它的燃料電池系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的可以有效減少或防止燃料穿過的聚合物電解質(zhì)薄膜，生產(chǎn)其的方法和包括其的燃料電池系統(tǒng)。
相關(guān)技術(shù)的說明燃料電池是一種用于產(chǎn)生電能的發(fā)電系統(tǒng)，通過氧化劑和諸如氫或烴基材料例如甲醇、乙醇、或天然氣等的燃料的電化學氧化還原反應而進行。
燃料電池的代表性實例包括聚合物電解質(zhì)薄膜燃料電池(PEMFC)和直接氧化燃料電池(DOFC)。直接氧化燃料電池包括使用甲醇作為燃料的直接甲醇燃料電池。
聚合物電解質(zhì)薄膜燃料電池(PEMFC)具有高能量密度，但是需要燃料重整處理器，以用于重整甲烷、甲醇、天然氣等，以產(chǎn)生作為燃料氣體的富氫氣體。
相反，直接氧化燃料電池(DOFC)具有低于聚合物電解質(zhì)薄膜燃料電池的能量密度，但是不需要燃料重整處理器。
燃料電池包括產(chǎn)生電的疊片組。該疊片組包括幾個以多層方式堆疊的單元電池。每個單元電池由薄膜電極組件(MEA)和隔離層(也稱為雙極片)組成。薄膜電極組件具有陽極(稱為燃料電極或氧化電極)和陰極(稱為空氣電極或還原電極)并在其間的聚合物電解質(zhì)薄膜。
一個實施方案中，將燃料提供給陽極，并與與陽極相連的催化劑反應，氧化燃料以產(chǎn)生質(zhì)子和電子。電子經(jīng)由外電路轉(zhuǎn)移進陰極，而質(zhì)子通過聚合物電解質(zhì)薄膜轉(zhuǎn)移進陰極。還將氧化劑提供給陰極，并且氧化劑、質(zhì)子和電子在陰極的催化劑上反應以產(chǎn)生電和水。
電池運行期間，聚合物電解質(zhì)薄膜用于將質(zhì)子從陽極轉(zhuǎn)移到陰極。此外，聚合物電解質(zhì)薄膜用于使陽極與陰極電絕緣，還用于分離反應氣體或液體。
聚合物電解質(zhì)薄膜應具有高電化學穩(wěn)定性和在高電流密度下的低歐姆損耗。此外，電池運行期間，聚合物電解質(zhì)具有反應氣體或液體的良好的分離能力，并具有強機械性能和尺寸穩(wěn)定性，以形成疊片組。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個方面提供一種用于有效防止燃料穿過的燃料電池的聚合物電解質(zhì)薄膜。
本發(fā)明的另一方面提供一種生產(chǎn)用于改善電池性能特征的燃料電池的聚合物電解質(zhì)薄膜的方法。
本發(fā)明的另一方面提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其包括上述聚合物電解質(zhì)薄膜。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，提供了一種用于燃料電池的聚合物電解質(zhì)薄膜。該聚合物電解質(zhì)薄膜包括離子交換樹脂薄膜和導電聚合物。該導電聚合物存在于由離子交換樹脂薄膜的一側(cè)至離子交換樹脂薄膜的內(nèi)部。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，提供了一種生產(chǎn)聚合物電解質(zhì)薄膜的方法。該方法包括在離子交換樹脂薄膜的一側(cè)設(shè)置導電聚合物單體和有機酸摻雜劑溶液的混合物；在離子交換樹脂薄膜的另一面設(shè)置氧化劑溶液；擴散混合物和氧化劑溶液進入離子交換樹脂薄膜；并在交換樹脂薄膜中聚合單體。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，提供了一種燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)包括a)產(chǎn)電單元，其具有i)至少一個薄膜電極組件，其包括插入在陰極和陽極之間的聚合物電解質(zhì)薄膜，和ii)布置在薄膜電極組件每一側(cè)的隔離層；b)燃料供應器；和c)氧化劑供應器。該聚合物電解質(zhì)薄膜包括離子交換樹脂薄膜和導電聚合物。該導電聚合物存在于由離子交換樹脂薄膜的一側(cè)至離子交換樹脂薄膜的內(nèi)部。離子交換樹脂薄膜的一側(cè)接觸陽極。
附圖簡要說明

圖1是表明根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案用于制備聚合物電解質(zhì)薄膜裝置的示意圖；圖2是表明根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的聚合物電解質(zhì)薄膜的示意圖；圖3是表明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；圖4是實施例2的聚合物電解質(zhì)薄膜的SEM照片；圖5是對比例1的聚合物電解質(zhì)薄膜的SEM照片；圖6是表明實施例2的聚合物電解質(zhì)薄膜橫截面的SEM照片；圖7是表明利用俄歇電子能譜，對本發(fā)明實施例1的聚合物電解質(zhì)薄膜的表面分析結(jié)果的示圖；圖8是表明本發(fā)明實施例1和2和對比例1的聚合物電解質(zhì)薄膜的離子導電性和甲醇滲透率的示圖；和圖9是表明實施例1和對比例1的燃料電池功率輸出特征的示圖。
詳細說明本發(fā)明的一個實施方案提供了一種用于燃料電池的聚合物電解質(zhì)薄膜。
可以使用具有良好導電性、機械性能和耐化學性的全氟磺酸樹脂薄膜形成聚合物電解質(zhì)薄膜。全氟磺酸樹脂薄膜越厚，其尺寸穩(wěn)定性和機械性能越好，但是其薄膜電阻也增加。相反，全氟磺酸樹脂薄膜越薄，其薄膜電阻越低，但是較薄的全氟磺酸樹脂薄膜可能會使烴類燃料例如甲醇穿過薄膜，而導致運行期間燃料損失，從而降低燃料電池的性能。
根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的聚合物電解質(zhì)薄膜可以減少或防止燃料的穿過。在一個實施方案中，可以如下所述制備根據(jù)本發(fā)明實施方案的聚合物電解質(zhì)薄膜。
首先，在通常用作聚合物電解質(zhì)薄膜的離子交換樹脂薄膜一面配置導電聚合物單體和有機酸摻雜劑溶液的混合物，并在離子交換樹脂薄膜的另一面配置氧化劑溶液。例如，如圖1所示，在2-間隔擴散單元的中央放置離子交換樹脂薄膜2。此外，在離子交換樹脂薄膜2的一面配置導電聚合物單體-有機酸摻雜劑溶液的混合物4，并在離子交換樹脂薄膜的另一面配置氧化劑溶液6。在圖1中，使用O-環(huán)A密封殼體，以防止混合物4和氧化劑溶液6泄漏。
導電聚合物單體的非限定實例包括至少一種選自苯胺、吡咯、乙炔、并苯、噻吩、烷基噻吩、對亞苯基、亞苯基、亞苯基硫、亞乙烯基亞苯基、呋喃，和其混合物的材料。
有機酸摻雜劑的非限定實例包括至少一種選自硫酸、磷酸、樟腦磺酸、苯磺酸、苯磺酸鈉、烷基苯磺酸、苯磺酸烷基鈉，和其混合物的材料。在一個實施方案中，摻雜劑選自烷基苯磺酸、苯磺酸烷基鈉，和其混合物，該烷基具有1至12個碳。在另一實施方案中，摻雜劑選自烷基苯磺酸、苯磺酸烷基鈉，和其混合物，該烷基具有8至12個碳。
此外，有機酸摻雜劑溶液可以包括諸如去離子水、乙腈、二甲亞砜、二甲基甲酰胺和氯仿的溶劑。有機酸摻雜劑溶液的濃度可以為約0.5M至1.5M，這取決于用途。
氧化劑的非限定實例包括過硫酸銨、高氯酸鐵、氯化鐵、硝酸鐵、硫酸鐵銨、過氧化苯甲酰、過硫酸鉀等。
可以以1∶1至1∶15的摩爾比混合導電聚合物單體和氧化劑。此外，一個實施方案中，可以以4∶1至1∶2的摩爾比混合單體和摻雜劑。
摻雜劑和氧化劑的濃度不應過高或過低，因為這可能導致導電聚合物太薄或太厚，其破壞聚合物的烴類燃料屏障功能和聚合物的質(zhì)子導電性功能之間的平衡。
氧化劑溶液可以包括諸如去離子水、乙腈、二甲亞砜、二甲基甲酰胺和氯仿等的溶劑。
離子交換樹脂薄膜包括任何可以用作聚合物電解質(zhì)薄膜的合適聚合物樹脂。典型的聚合物樹脂包括在其側(cè)鏈的陽離子交換基。陽離子交換基可以選自磺酸基、羧酸基、磷酸基、膦酸基，和其衍生物。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，離子交換樹脂薄膜具有3至33的離子交換率和700至2000的當量重量(EW)。通過聚合物主鏈中碳數(shù)和陽離子交換基的數(shù)量確定離子交換樹脂薄膜的離子交換率。3至33的離子交換率相當于700至2000的當量重量。
聚合物樹脂的非限定實例包括至少一種質(zhì)子導電聚合物，其選自全氟基聚合物、苯并咪唑基聚合物、聚酰亞胺基聚合物、聚醚酰亞胺基聚合物、聚苯硫基聚合物、聚砜基聚合物、聚醚砜基聚合物、聚醚酮基聚合物、聚醚-醚酮基聚合物和聚苯基喹喔啉基聚合物。在一個實施方案中，質(zhì)子導電聚合物包括至少一種材料，其選自聚(全氟磺酸)、聚(全氟羧酸)、四氟乙烯和具有磺酸基的氟乙烯基醚的共聚物、脫氟的聚醚酮硫化物、芳基酮、聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-雙苯并咪唑)和聚(2，5-苯并咪唑)。然而，離子交換聚合物不限于此。
在這里，當離子交換樹脂薄膜為至少10μm厚時，它可以減少或防止烴類燃料例如甲醇穿過，同時具有耐還原效果。
單體和有機酸摻雜劑溶液的混合物(也稱為混合物)和氧化劑溶液以不同的擴散速度擴散進離子交換樹脂薄膜的相對側(cè)。然后混合物和氧化劑溶液在離子交換樹脂薄膜中相互遭遇。更詳細地，由于氧化劑溶液比混合物擴散更快，它們在離子交換樹脂薄膜混合物一側(cè)附近相互遭遇，導致由氧化劑引發(fā)的自由基聚合反應。
作為結(jié)果，在離子交換樹脂薄膜的親水性區(qū)域從其一側(cè)到離子交換樹脂薄膜內(nèi)部形成多孔導電聚合物，但是在離子交換樹脂薄膜的另一側(cè)不存在這種多孔導電聚合物。導電聚合物可以是聚苯胺、聚吡咯、聚乙炔、多并苯、聚噻吩、聚(polyan)烷基噻吩、聚(對亞苯基)、聚亞苯基、聚苯硫、聚亞苯基乙烯、或聚呋喃，這取決于使用的單體種類。
如圖2所示，根據(jù)上述生產(chǎn)方法制備的燃料電池用聚合物電解質(zhì)薄膜200包括一個具有導電聚合物22的離子交換樹脂薄膜20。該導電聚合物22存在于由離子交換樹脂薄膜20一側(cè)至離子交換樹脂薄膜20的內(nèi)部。在一個實施方案中，從離子交換樹脂薄膜20的一側(cè)，導電聚合物22存在于直達離子交換樹脂薄膜20總厚度的20％。根據(jù)一個實施方案，導電聚合物22存在于直至薄膜20總厚度的2至10％。
可以將摻雜劑摻雜到導電聚合物22上。摻雜劑的非限定實例包括硫酸、磷酸、樟腦磺酸、烷基苯磺酸和苯磺酸烷基鈉。
在這里，因為在一個本發(fā)明實施方案中的導電聚合物的形成是由離子交換樹脂薄膜的一側(cè)至離子交換樹脂薄膜中的預定深度，因而可以使用該聚合物以減少或防止烴類燃料擴散通過薄膜，其中烴類燃料通常沿著離子交換樹脂薄膜的親水性區(qū)域移動。因此，為了使該效果最大化，本發(fā)明的一個實施方案將在聚合物電解質(zhì)薄膜中由一種或多種導電聚合物形成的聚合物電解質(zhì)薄膜的一側(cè)布置在薄膜電極組件的陽極一側(cè)。
導電聚合物不應存在于從一側(cè)到另一側(cè)的全部離子交換樹脂薄膜中，因為這可導致燃料電池短路。
導電聚合物可以與其它聚合物共存。其它聚合物的非限定實例包括至少一種通常已知的聚合物，其選自聚(環(huán)氧乙烷)、聚(乙烯基吡啶二酮(pyrididine))、聚(丙烯酸鈉)、聚(乙二醇)、聚(二丙烯酸乙二醇酯)、聚(二甲基丙烯酸乙二醇酯)、聚(異丁基(isobylene)蘋果酸鈉)、聚(乙基唑啉)、聚(酰胺)、聚(氧乙烯丙烯)、聚(苯乙烯磺酸)和其混合物。
將其它聚合物加入至導電聚合物單體和有機酸摻雜劑的混合物中，并且它可以與導電聚合物以混合狀態(tài)存在。
此外，可以將其它聚合物的單體加入至導電聚合物單體和有機酸摻雜劑的混合物中，從而以導電聚合物和其它聚合物的共聚物存在。
如果和導電聚合物一起使用其它聚合物，它可以有效地防止燃料穿過。一個實施方案中，導電聚合物和其它聚合物當其以混合物或共聚物存在時其重量比為7/3至5/5。在上述比例內(nèi)，這兩種聚合物可以有效地防止燃料穿過。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，包括聚合物電解質(zhì)薄膜的燃料電池系統(tǒng)包括至少一個產(chǎn)電元件、燃料供應器和氧化劑供應器。
產(chǎn)電元件包括薄膜電極組件，其包括聚合物電解質(zhì)薄膜。在聚合物電解質(zhì)薄膜的兩側(cè)配置陰極和陽極，并在薄膜電極組件的兩側(cè)配置隔離層。產(chǎn)電元件通過氧化燃料和還原氧化劑而產(chǎn)生電。
如上所述，本發(fā)明聚合物電解質(zhì)薄膜的配置，要使具有導電聚合物的一側(cè)接觸陽極，以減少或防止穿過現(xiàn)象，其中提供給陽極的烴類燃料如甲醇是通過聚合物電解質(zhì)薄膜并移向陰極。
燃料供應器向產(chǎn)電元件提供包含氫的燃料，而氧化劑供應器向產(chǎn)電元件提供氧化劑例如氧氣或空氣。燃料包括液態(tài)或氣態(tài)氫，或烴基燃料例如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或天然氣。
圖3表示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的燃料電池系統(tǒng)100的示意結(jié)構(gòu)。在圖3的燃料電池系統(tǒng)100中，通過泵將燃料和氧化劑提供至產(chǎn)電元件19，但是本發(fā)明不限于這種結(jié)構(gòu)。例如，本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)或者可以包括其中以擴散方式提供燃料和氧化劑的結(jié)構(gòu)。
參考圖3，燃料電池系統(tǒng)100包括由至少一個包含通過燃料和氧化劑電化學反應產(chǎn)生電能的產(chǎn)電元件19所構(gòu)成的疊片組7、提供燃料至產(chǎn)電元件19的燃料供應器3，和提供氧化劑至產(chǎn)電元件19的氧化劑供應器5。
此外，燃料供應器3配有儲存燃料的儲罐9，和連接到儲罐9的泵11。燃料泵11將儲存在儲罐9中的燃料提供至疊片組7。
向產(chǎn)電元件19提供氧化劑的氧化劑供應器5配有至少一個泵13，用于提供氧化劑至疊片組7。
產(chǎn)電元件19包括薄膜電極組件21，其氧化燃料(例如氫氣)并還原氧化劑，以及分別放置在薄膜電極組件21相對側(cè)的隔離層23和25，以分別提供燃料和氧化劑。
以下實施例更詳細地說明本發(fā)明。然而，可以理解本發(fā)明不限于這些實施例1將0.36M苯胺單體、1.0M用作有機酸摻雜劑的十二烷基苯磺酸、和3wt％聚環(huán)氧乙烷(M.W.＝5,000,000)聚合物加入至100g用作溶劑的去離子水中，以制備混合物。在圖1所示的在2-間隔擴散單元的中央配置全氟磺酸鹽離子交換樹脂薄膜。然后，在全氟磺酸鹽離子交換樹脂薄膜的一側(cè)配置上述混合物，并在薄膜的另一側(cè)配置通過加入5wt％FeCl3氧化劑至100g作為溶劑的乙腈中所制備的溶液。然后，在4℃分散苯胺單體、有機酸摻雜劑和聚環(huán)氧乙烷的混合物以及氧化劑溶液24小時，從而制備聚合物電解質(zhì)薄膜。聚合物電解質(zhì)包括由離子交換樹脂薄膜一側(cè)至由該薄膜一側(cè)的薄膜總厚度的5％深度的制備的聚苯胺(PANi)和聚環(huán)氧乙烷(PEO)。此外，在聚苯胺中摻雜有機酸摻雜劑。
然后，通過分別混合5wt％-Nafion/H2O/2-丙醇溶液(Solution TechnologyInc.，EW1100)、二丙二醇和有鉑釕黑(指不支持在載體的催化劑，JohnsonMatthey，HiSpec 6000)和鉑黑(Johnson Matthey，HiSpec 1000)顆粒的去離子水制備漿液。將該漿液絲網(wǎng)印刷在四氟乙烯(TEFLON)薄膜上，并干燥以形成催化劑層。然后在制備的聚合物電解質(zhì)薄膜的任一側(cè)配置催化劑層，并在200℃下用200kgf/cm2的壓力熱壓3分鐘，以形成各載荷為4mg/cm2的陰極和陽極。
然后，配置擴散層(E-Tek Co的ELAT)以接觸由聚合物電解質(zhì)薄膜分隔的陰極和陽極，以制備薄膜電極組件。
將薄膜電極組件插入墊圈和涂有聚四氟乙烯的玻璃纖維之間，然后在配有氣流通道和形狀可以預定的冷通道的兩個隔離層之間插入，然后在鍍金的銅端片之間壓制以制備單個燃料電池。
實施例2除了使用聚乙烯醇(M.W.＝100,000)聚合物聚環(huán)氧乙烷代替聚乙烯醇(M.W.＝100,000)聚合物以外，以基本上與實施例1相同的方法制備單個電池。
實施例3通過將0.36M苯胺單體和1.0M用作有機酸摻雜劑的十二烷基苯磺酸加入至100g用作溶劑的去離子水中而制得混合物。然后，在圖1所示2-間隔擴散單元的一側(cè)配置全氟磺酸鹽離子交換樹脂薄膜，并在2-間隔擴散單元的另一側(cè)配置通過使用100g作為溶劑的乙腈形成的5wt％濃度的FeCl3氧化劑溶液。然后，制備燃料電池用的聚合物電解質(zhì)薄膜。通過在4℃分散苯胺單體和有機酸摻雜劑的混合物以及氧化劑溶液24小時，使聚合物電解質(zhì)薄膜含有在離子交換樹脂薄膜的一側(cè)形成的聚苯胺(PANi)到達薄膜厚度的5％的深度。
然后使用該電解質(zhì)薄膜根據(jù)實施例1制備單個燃料電池。
對比例1通過以100℃分別在3％過氧化氫和0.5M硫酸水溶液中處理125μm厚的Nafion 115薄膜(E.I.Dupont)一小時，然后在100℃的去離子水中洗滌一小時，制備聚合物電解質(zhì)薄膜。然后用基本上和實施例1一樣的方法評估該薄膜的性能。
圖4展示了根據(jù)實施例2制備的聚合物電解質(zhì)薄膜的表面SEM照片。圖5展示了根據(jù)對比例1制備的聚合物電解質(zhì)薄膜的SEM照片。圖4中展示的表面照片不同于圖5，因為根據(jù)實施例2制備的聚合物電解質(zhì)薄膜在其表面上具有聚苯胺和聚乙烯醇的混合物。
此外，圖6展示了根據(jù)實施例2制備的聚合物電解質(zhì)薄膜的截面SEM照片。參考圖6，從開始擴散反應72小時內(nèi)，形成聚苯胺和聚乙烯醇的混合物的深度直至離子交換樹脂薄膜厚度的六分之一。
圖7是利用俄歇電子能譜，表明對本發(fā)明實施例1的聚合物電解質(zhì)薄膜的表面分析的結(jié)果圖。作為以1000埃/分速度濺射的元素分析結(jié)果，在薄膜表面檢測到N和S元素，并在薄膜的一定深度檢測到F。這些結(jié)果表明苯胺和十二烷基苯磺酸存在于全氟磺酸鹽薄膜的表面。
如下所述測量實施例1和2以及對比例1的電解質(zhì)薄膜的離子導電性。將薄膜放置在來自BekkTech Company的測量單元中。在可控相對濕度和100Hz至1MHz頻率下，并在10mV擾動電壓和注入濕潤氫氣進入電解質(zhì)薄膜時，按照交流阻抗測量導電性。
如下所述測量根據(jù)實施例1、2和對比例1的電解質(zhì)薄膜的甲醇滲透率將電解質(zhì)薄膜樣品放置在兩間隔放電單元中，并將15wt％甲醇/去離子水混合物和去離子水在兩間隔放電單元中分別循環(huán)。然后，通過折射率的變化測量已經(jīng)滲透經(jīng)電解質(zhì)薄膜的甲醇濃度。
圖8是展示了測量實施例1和2和對比例1制得的聚合物電解質(zhì)薄膜的離子導電性和甲醇滲透率的結(jié)果。如圖8所示，實施例1和2的聚合物電解質(zhì)薄膜保持了高電導率，同時顯示了比對比實施例1高的甲醇屏障特征。
通過注入1M甲醇和干燥空氣進入電池，測量實施例1的單個電池和對比例1的單個電池關(guān)于其50℃下的電流密度和功率輸出密度，測量結(jié)果示于圖9。如圖9所示，因為實施例1的聚合物電解質(zhì)薄膜具有高離子導電性和良好的甲醇屏障特征，在相同的電壓下，實施例1的燃料電池具有高于對比例1的電流密度，并且與對比例1相比具有10％的改良的功率輸出密度。
因此，本發(fā)明實施方案的燃料電池用聚合物電解質(zhì)薄膜可以減少或防止烴類燃料例如甲醇穿過，從而提供具有改善的功率輸出的燃料電池。
雖然已經(jīng)結(jié)合某些示范性實施方案描述本發(fā)明，本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員應當理解本發(fā)明不限于公開的實施方案，而相反地，是包括附加權(quán)利要求和其等效物的精神和范圍內(nèi)的多種變化。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池用聚合物電解質(zhì)薄膜，該聚合物電解質(zhì)薄膜包括離子交換樹脂薄膜；和導電聚合物，其中導電聚合物存在于從離子交換樹脂薄膜的一側(cè)至離子交換樹脂薄膜的內(nèi)部。
2.權(quán)利要求1的聚合物電解質(zhì)薄膜，其中導電聚合物存在于從離子交換樹脂薄膜的一側(cè)直至離子交換樹脂薄膜全部厚度的約20％。
3.權(quán)利要求1的聚合物電解質(zhì)薄膜，其中導電聚合物存在于從離子交換樹脂薄膜的一側(cè)直至離子交換樹脂薄膜全部厚度的約2至10％。
4.權(quán)利要求1的聚合物電解質(zhì)薄膜，其中導電聚合物包含選自聚苯胺、聚吡咯、聚乙炔、多并苯、聚噻吩、聚(polyan)烷基噻吩、聚(對亞苯基)、聚亞苯基、聚苯硫、聚亞苯基乙烯和聚呋喃的材料。
5.權(quán)利要求1的聚合物電解質(zhì)薄膜，其中導電聚合物包含摻雜劑。
6.權(quán)利要求5的聚合物電解質(zhì)薄膜，其中摻雜劑包含選自硫酸、磷酸、樟腦磺酸、苯磺酸、苯磺酸鈉、烷基苯磺酸、苯磺酸烷基鈉，和其混合物的材料。
7.權(quán)利要求6的聚合物電解質(zhì)薄膜，其中摻雜劑選自烷基苯磺酸、苯磺酸烷基鈉，和其混合物，其中烷基具有1至12個碳。
8.權(quán)利要求6的聚合物電解質(zhì)薄膜，其中摻雜劑選自烷基苯磺酸、苯磺酸烷基鈉，和其混合物，其中烷基具有8至12個碳。
9.權(quán)利要求1的聚合物電解質(zhì)薄膜，其中離子交換樹脂薄膜包含一種在其側(cè)鏈具有陽離子交換基的聚合物樹脂，并其中陽離子交換基選自磺酸基、羧酸基、磷酸基、膦酸基和，其衍生物。
10.權(quán)利要求9的聚合物電解質(zhì)薄膜，其中聚合物樹脂包含一種選自全氟基聚合物、苯并咪唑基聚合物、聚酰亞胺基聚合物、聚醚酰亞胺基聚合物、聚苯硫基聚合物、聚砜基聚合物、聚醚砜基聚合物、聚醚酮基聚合物、聚醚-醚酮基聚合物、和聚苯基喹喔啉基聚合物的材料。
11.權(quán)利要求1的聚合物電解質(zhì)薄膜，其中導電聚合物是以一種和其它聚合物形成的混合物，其它聚合物選自聚(環(huán)氧乙烷)、聚(乙烯基吡啶二酮(pyrididone))、聚(丙烯酸鈉)、聚(乙二醇)、聚(二丙烯酸乙二醇酯)、聚(二甲基丙烯酸乙二醇酯)、聚(異丁基(isobylene)蘋果酸鈉)、聚(乙基唑啉)、聚(酰胺)、聚(氧化乙烯丙烯)、聚(苯乙烯磺酸)，和其混合物。
12.權(quán)利要求1的聚合物電解質(zhì)薄膜，其中導電聚合物是一種和其它聚合物形成的共聚物，其它聚合物選自選自聚(環(huán)氧乙烷)、聚(乙烯基吡啶二酮)、聚(丙烯酸鈉)、聚(乙二醇)、聚(二丙烯酸乙二醇酯)、聚(二甲基丙烯酸乙二醇酯)、聚(異丁基(isobylene)蘋果酸鈉)、聚(乙基唑啉)、聚(酰胺)、聚(氧乙烯丙烯)、聚(苯乙烯磺酸)，和其混合物。
13.一種生產(chǎn)聚合物電解質(zhì)薄膜的方法，該方法包括在離子交換樹脂薄膜的一側(cè)配置導電聚合物單體和有機酸摻雜劑溶液的混合物；在離子交換樹脂薄膜的另一側(cè)配置氧化劑溶液；將混合物和氧化劑溶液分散進入離子交換樹脂薄膜；和在離子交換樹脂薄膜中聚合單體。
14.權(quán)利要求13的方法，其中導電聚合物的單體包括選自苯胺、吡咯、乙炔、并苯、噻吩、烷基噻吩、對亞苯基、亞苯基、苯硫、亞苯基乙烯、呋喃，和其混合物的材料。
15.權(quán)利要求13的方法，其中有機酸摻雜劑包括選自硫酸、磷酸、樟腦磺酸、苯磺酸、苯磺酸鈉、烷基苯磺酸、苯磺酸烷基鈉，和其混合物的材料。
16.權(quán)利要求15的方法，其中摻雜劑選自烷基苯磺酸、苯磺酸烷基鈉，和其混合物，其中烷基具有1至12個碳。
17.權(quán)利要求15的方法，其中摻雜劑選自烷基苯磺酸、苯磺酸烷基鈉，和其混合物，其中烷基具有8至12個碳。
18.權(quán)利要求13的方法，其中氧化劑包括選自過硫酸銨、高氯酸鐵、氯化鐵、硝酸鐵、硫酸鐵銨、過氧化苯甲酰、過硫酸鉀，和其混合物的材料。
19.權(quán)利要求13的方法，其中混合物進一步包含其它聚合物，其它聚合物選自聚(環(huán)氧乙烷)、聚(乙烯基吡啶二酮)、聚(丙烯酸鈉)、聚(乙二醇)、聚(二丙烯酸乙二醇酯)、聚(二甲基丙烯酸乙二醇酯)、聚(異丁基(isobylene)蘋果酸鈉)、聚(乙基唑啉)、聚(酰胺)、聚(氧乙烯丙烯)、聚(苯乙烯磺酸)，和其混合物。
20.權(quán)利要求13的方法，其中混合物進一步包含其它聚合物的單體，其中其它聚合物選自聚(環(huán)氧乙烷)、聚(乙烯基吡啶二酮)、聚(丙烯酸鈉)、聚(乙二醇)、聚(二丙烯酸乙二醇酯)、聚(二甲基丙烯酸乙二醇酯)、聚(異丁基(isobylene)蘋果酸鈉)、聚(乙基唑啉)、聚(酰胺)、聚(氧乙烯丙烯)、聚(苯乙烯磺酸)，和其混合物。
21.一種燃料系統(tǒng)，包括適合于通過氧化燃料并還原氧化劑而產(chǎn)生電能的產(chǎn)電元件，該產(chǎn)電元件包括至少一個薄膜電極組件，其包含插入陰極和陽極之間的聚合物電解質(zhì)薄膜，該聚合物電解質(zhì)薄膜包含離子交換樹脂薄膜，和導電聚合物，其中導電聚合物存在于從離子交換樹脂薄膜的一側(cè)至離子交換樹脂薄膜的內(nèi)部，和其中離子交換樹脂薄膜的一側(cè)接觸陽極，和布置在薄膜電極組件每一側(cè)的隔離層；適合于提供燃料至產(chǎn)電元件的燃料供應器；和適合于提供氧化劑至產(chǎn)電元件的氧化劑供應器。
22.權(quán)利要求21的燃料電池系統(tǒng)，其中導電聚合物存在于從離子交換樹脂薄膜的一側(cè)直至約離子交換樹脂薄膜全部厚度的20％。
23.權(quán)利要求21的燃料電池系統(tǒng)，其中導電聚合物存在于從離子交換樹脂薄膜的一側(cè)直至約離子交換樹脂薄膜全部厚度的2至10％。
24.權(quán)利要求21的燃料電池系統(tǒng)，其中導電聚合物包含選自聚苯胺、聚吡咯、聚乙炔、多并苯、聚噻吩、聚(polyan)烷基噻吩、聚(對亞苯基)、聚亞苯基、聚苯硫、聚亞苯基乙烯和聚呋喃的材料。
25.權(quán)利要求21的燃料電池體系，其中離子交換樹脂薄膜包含一種在其側(cè)鏈具有陽離子交換基的聚合物樹脂，并其中陽離子交換基選自磺酸基、羧酸基、磷酸基、膦酸基，和其衍生物。
26.權(quán)利要求25的燃料電池系統(tǒng)，其中聚合物樹脂包含一種選自全氟基聚合物、苯并咪唑基聚合物、聚酰亞胺基聚合物、聚醚酰亞胺基聚合物、聚苯硫基聚合物、聚砜基聚合物、聚醚砜基聚合物、聚醚酮基聚合物、聚醚-醚酮基聚合物和聚苯基喹喔啉基聚合物的材料。
27.權(quán)利要求21的燃料電池系統(tǒng)，其中導電聚合物包含摻雜劑。
28.權(quán)利要求27的燃料電池系統(tǒng)，其中摻雜劑包含選自硫酸、磷酸、樟腦磺酸、苯磺酸、苯磺酸鈉、烷基苯磺酸、苯磺酸烷基鈉，和其混合物的材料。
全文摘要
一種燃料電池用聚合物電解質(zhì)薄膜，其包括一種離子交換樹脂薄膜和導電聚合物。導電聚合物沿著離子交換樹脂薄膜厚度方向存在于從離子交換樹脂薄膜的一側(cè)至離子交換樹脂薄膜的內(nèi)部。
文檔編號C08L63/00GK1903919SQ20061010610
公開日2007年1月31日 申請日期2006年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月28日
發(fā)明者宋珉圭 申請人:三星Sdi株式會社