[发明专利]具有侧链全氟磺酸部分的基于全氟环丁烷的水蒸气转移膜

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，更特别地涉及燃料电池的湿化。

背景技术

燃料电池在许多应用中用作电源。尤其，燃料电池建议用于汽车中替代内燃机。通常使用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)，以便在阳极和阴极之间提供离子迁移。

在质子交换膜型燃料电池中，将氢气作为燃料提供给阳极和将氧气作为氧化剂提供给阴极。氧气能够呈现纯形式(O₂)或是空气(O₂和N₂的混合物)形式。PEM燃料电池典型地具有膜电极组件(“MEA”)，其中固态聚合物膜在一个面上具有阳极催化剂，在背面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极层和阴极层是由多孔传导性材料如织造石墨、石墨化片材或碳纸形成的，以使得燃料能分散在面对燃料供应电极的膜表面上。各电极具有担载于碳颗粒上的细散催化剂颗粒(例如铂颗粒)，以促进在阳极处的氢气的氧化和在阴极处氧气的还原。质子从阳极流过离子传导聚合物膜流到阴极，在这里它们与氧结合形成水，该水从电池中排出。该MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，它们进而夹在一对的无孔的导电性元件或板之间。该板用作阳极和阴极的集流器，并且含有在其中所形成的合适的通道和开口以便将燃料电池的气态反应剂分布在各个阳极催化剂和阴极催化剂的表面上。为了有效地产生电能，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、质子透过性的、非导电性的和不透气的。在典型的应用中，燃料电池以许多单个燃料电池堆的阵列形式提供以便提供高水平的电能。

用于燃料电池中的内膜典型地维持在湿条件下。这帮助避免对膜的损害或避免缩短膜的寿命，以及维持所希望的工作效率。例如，膜的较低水含量导致更高的质子传导阻抗，因此导致更高的欧姆电压损失。原料气的湿化，尤其阴极入口的湿化，是令人想望的，以便在膜中、尤其在该入口区中维持足够的水含量。在燃料电池中的湿化已在共同拥有的美国专利申请系列号No.10/797,671(Goebel等人)、共同拥有的美国专利申请系列号No.10/912,298(Sennoun等人)和共同拥有的美国专利申请系列号No.11/087,911(Forte)中进行讨论，它们中的每一件以全部内容通过引用结合进来。

为了维持所希望的水分含量，空气湿化器常常用于湿化在燃料电池中使用的空气物流。该空气湿化器正常由安装在外壳内的圆形或盒子型空气湿化模块组成。这一类型的空气湿化器的例子显示和描述在美国专利申请系列No.10/516,483(Tanihara等人)和美国专利No.6,471,195中，因此它们中的每一件以全部内容通过引用结合进来。

膜湿化器也已经用于满足燃料电池湿化需求。对于车用燃料电池湿化应用，此类膜湿化器需要是紧凑的，显示出低的压降，和具有高的工作性能。

设计膜湿化器要求质量传递阻力和压降的平衡。为了穿过膜从湿侧传输至干侧，水分子必须克服下列阻力的一些组合：在湿和干流动通道中的对流质量传输阻力；穿过该膜的扩散传输阻力；和穿过该膜载体材料的扩散传输阻力。紧凑和高性能膜湿化器典型地需要具有高的水传输速率(即，在10000-12000范围的GPU)的膜材料。GPU或气体透过单位是分压标称化的通量，其中1 GPU＝10^-6cm³(STP)/(cm²·sec·cm汞)。结果，将在湿和干流动通道以及膜载体材料中的传输阻力降低至最低变成了设计的焦点。

因此，仍然需要用于湿化燃料电池的改进的材料和方法。

发明内容

本发明通过在至少一个实施方案中提供用于燃料电池的膜湿化器组件(membrane humidifier assembly)来解决现有技术的一个或多个问题。本实施方案的膜湿化器组件包括第一流场板(flow fieldplate)(它适于促进第一气体向其流动)和第二流场板(它适于促进第二气体向其流动)。该聚合物膜被布置在第一流场和第二流场之间并适于允许水的转移。聚合物膜包括具有包括聚合物链段1的聚合物链段的第一聚合物：

其中：

Z₁是供质子的基团，如-SO₂X，-PO₃H₂，和-COX等等；

E₁是含芳族基团的部分；

A是不存在或是O或具有碳骨架的增链部分；

X是-OH，卤素，酯，或