[发明专利]用于燃料电池的复合水管理电解质膜

说明书

技术领域

本发明涉及适用于运输车辆、便携式能量装置中的、或者作为固定能量装置的燃料电池，尤其涉及便于燃料电池内水管理的复合电解质膜。

背景技术

燃料电池是公知的并通常用于由含氢的还原性流体燃料和含氧的氧化剂反应物流制备电力来为电动装置比如发电机和运输车辆供电。在现有技术的燃料电池中，已知采用质子交换膜(PEM)作为电解质。如同所公知的，在阳极处形成的质子移动通过电解质到达阴极，并且通常理解的是，对于从电解质阳极侧移动到阴极侧的每一质子而言，大约三分子的水随着所述质子一起拖曳到电解质的阴极侧。为了防止PEM干枯，所述拖曳的水必须被替换或通过渗透流返回到PEM的阳极侧。渗透流要求PEM阳极侧的水含量低于阴极侧以提供所需的驱动力。另外，在燃料电池的运行过程中，水在阴极催化剂处产生(“产物水”)，并且所述产物水可以通过直接流过PEM或者流过与所述产物水和阳极催化剂流体连通的水管理系统的水输送板而移动到阳极侧。

关键的是在水从阴极催化剂移开的速率和液体水供给阳极催化剂的速率之间保持适当的水平衡。如果供给或返回到阳极催化剂的水不足，那么PRM电解质的相邻部分干燥，由此降低可以通过PEM传递的氢离子的速率。PEM电解质的干燥也导致PEM电解质的老化。这可能导致反应物流体的串扰，从而导致局部过热。另外的，已知在电解质附近的电极催化剂载体材料通常包括碳，在使用之后所述碳载体材料变为亲水性的。这种趋势进一步使得在保持燃料电池水平衡中将产物水从阴极催化剂相邻处移开的任务复杂化。

已经采用了许多方法来改善电化学电池的水输送，包括努力提高PEM的水渗透性。这些努力包括减少PEM的厚度，比如在1996年8月20日授予Bahar等的美国专利5547551中和在1997年2月4日授予Bahar等的美国专利5599614中所公开的通过制备超薄一体式膜。尽管超薄PEM电解质具有改善的水渗透性，但是，由于PEM水渗透性和储存的受限，导致电化学电池性能明显受限。最近，2005年1月11日授予Breault的美国专利6841283(该专利由本发明的所有权利的拥有者拥有)公开了高水渗透性质子交换膜。该专利中公开的膜包括由在离聚物相中的结构材料所限定的大约10％的水填充微孔相。

但是，由于PEM电解质必须导离子同时不导电，所以所述结构材料的使用受限于不导电材料。通过增加孔尺寸以改善水渗透性，电解质膜具有较低的气泡压力等级，所以出现压差的风险增大，从而导致膜破裂，进而导致反应物混合。另外，已知的超薄电解质膜为了具有足量机械强度来维持燃料电池在膜的相对侧上的操作压差，所述超薄膜的水渗透性下降。结果，由于PEM的干燥，比如在燃料电池的反应物入口处的干燥，发生已知的燃料电池定域化膜老化。另外，已知由于催化剂被产物水淹没，所以长期燃料电池耐久性和性能下降。相应地，需要改善燃料电池水管理的燃料电池电解质膜。

发明内容

本发明是用于具有第一和第二电极催化剂的燃料电池的复合电解质膜。所述膜包括在由所述膜限定的相对的第一和第二接触表面之间连续延伸的离聚物部分。所述离聚物部分是由阳离子交换树脂组成的水合纳米孔的离聚物。所述膜也包括微米孔的区域，所述区域由所述离聚物部分和选自颗粒材料、晶须材料或者纤维材料的结构基质组成。所述结构基质分散在所述微米孔区域中在所述离聚物内，以限定直径为0.3-1.0微米之间的开孔。微米孔区域设置在所述膜的第一和第二接触表面之间，并且和仅仅第一接触表面或者仅仅第二接触表面相邻，或者可替换地，所述微米孔区域和第一接触表面以及第二接触表面都不相邻。在所有实施方案中，微米孔区域不在膜的第一和第二接触表面之间延伸。所述复合电解质膜固定在燃料电池的电极催化剂附近。

在优选实施方案中，所述复合电解质膜固定在燃料电池内部以使微米孔区域设置成邻近膜的第一接触表面，膜的第一接触表面固定在邻近所述燃料电池的阴极催化剂。在该实施方案中，膜的微米孔区域的较大的孔最接近阴极催化剂，而仅仅位于离聚物部分中的更小的纳米孔最靠近阳极催化剂。通过这种设置，复合电解质膜充当在阴极催化剂处形成的产物水的水储器，而最靠近阳极催化剂的较小的孔用于通过毛细作用将水从所述较大的孔拉向阳极催化剂附近的较小的孔，从而促进邻近阳极催化剂的PEM的水合。