[发明专利]用于燃料电池或基于燃料电池技术的反应器的质子传导膜及制造该膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池或基于燃料电池技术的反应器的质子传导膜。

本发明还涉及制造所述质子传导膜的方法。

在本文中，术语阳极和阴极也用于表示当它们之上没有电压时的所述各电极。

本文中的质子传导膜是指具有在其一侧上接收质子/水合氢离子和在其另一侧上放出相应数量的质子的能力的膜。当一个质子从一侧进入膜时，另一个质子被从另一侧推出。该膜还不容许电子在相反方向上的通过，并且除H⁺/H₃O⁺之外的其它离子的通过是不期望的。

此外，在本文中DMFC理解为由液态甲醇驱动的燃料电池(直接甲醇燃料电池)，该燃料电池包括具有阳极和用于阳极反应的催化剂的阳极侧、具有阴极和用于阴极反应的催化剂的阴极侧、以及将阳极侧和阴极侧彼此隔开的中间膜。

背景技术

由直接甲醇驱动的燃料电池是先前已知的，参见例如在http://www.wpi.edu/Pubs/ETD/Available/etd-051205-151955/unrestricted/A.Hacquard.pdf上公布的Alexandre Hacquard，Improving and Understanding DirectMethanol Fuel Cell(DMFC)Performance(提交给Worcester PolytechnicInstitute教员的论文)。在可获得的优点中，可提及：燃料是液态的，因此使得能够快速加燃料；可紧凑设计的燃料电池以及甲醇两者可以低的成本生产；以及燃料电池可设计用于许多不同的固定或者移动/便携式应用。此外，DMFC型燃料电池是环境友好的，仅排放出水和二氧化碳；不形成硫或者氮的氧化物。

在上述出版物中，所公开的燃料电池中的阳极和阴极由石墨构成并且在它们各自的一侧上均设有通道系统等，在阳极处用于供给液态甲醇-水混合物并且在阴极处用于供给氧(纯氧或者空气氧)。在阳极和阴极之间有质子传导膜，并且分别在膜与阳极和阴极之间具有所谓的气体扩散层。而且，气体扩散层或者膜在阳极侧上载有Pt和Ru催化剂，并且在阴极侧上载有单独的Pt催化剂。气体扩散层由碳布或碳纸构成。在阳极侧上，气体扩散层接收与甲醇在阳极催化剂上的氧化有关的形成的CO₂并且容许其向上扩散到上端面，在所述上端面处形成CO₂气泡。在阴极侧上，所供给的氧气通过气体扩散层并且与通过膜的电子和质子反应以形成水。与用于由直接甲醇驱动的其它燃料电池的膜类似，此处的膜由Nafion^TM(磺化的PTFE型聚合物)构成。催化剂以有机溶剂、细粉状催化剂颗粒和Nafion^TM溶液的油墨形式涂布在气体扩散层上或者膜上，之后让溶剂挥发。一般认为对于质子向膜的有效传输，具有Nafion^TM网络是必须的。此外，由此制备的气体扩散层用作电极。

然而，已经表明Nafion^TM不具有期望的耐甲醇性，而且当暴露于2M(约6％)甲醇时已经开始溶解。而且，已知的DMFC型燃料电池由于甲醇在阳极处缓慢的电化学氧化且甲醇能够穿过PEM膜(聚合物电解质膜)迁移到其中氧化甲醇的阴极而具有太低的功率密度。这不仅导致燃料损失，而且导致所形成的一氧化碳使在阴极处所使用的铂催化剂中毒，这导致降低的效率。反应的复杂性使得难以获得令人满意的产率。

US-B1-6444343(Prakash等)综述了在1959年就已经开始的许多不同的PEM膜，那时建议通过苯酚磺酸和甲醛的缩合制造这样的用于H₂/O₂燃料电池的膜。对于在这样的燃料电池中的膜，还可使用部分磺化的聚苯乙烯，并且该膜还可由具有惰性碳氟化合物基体的交联苯乙烯-二乙烯基苯制造，然后磺化，或者由α，β，β-三氟苯乙烯-磺酸的均聚物制造。考虑到对于这样的材料所提及的缺点，尤其是与DMFC型燃料电池的使用有关的缺点，在′343中建议由在聚(偏二氟乙烯)惰性基体内的交联聚苯乙烯磺酸制造该膜。

发明内容

本发明的目的是提供不受DMFC电池中的反应物影响并且除质子/水合氢离子之外的离子基本上不能透过的质子传导膜。