[发明专利]包含聚(乙酸乙烯酯)和聚(乙烯醇)的亲水性聚合电解质膜

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池应用的离子传导膜，其能够在无需外部增湿的情况下在高温操作。

背景技术

燃料电池在许多应用领域用作电源。特别建议在汽车中使用燃料电池代替内燃机。常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”）以提供阳极与阴极之间的离子传输，同时还充当电绝缘体。

在质子交换膜型燃料电池中，氢作为燃料供应给阳极，氧作为氧化剂供应给阴极。氧可以是纯氧（O₂）或空气形式（O₂和N₂的混合物）。PEM燃料电池典型地具有膜电极组件（“MEA”），其中固体聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，在相反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由多孔传导性材料，如编织石墨、石墨化片材或碳纸，形成以使燃料能够分散在朝向燃料供给电极的膜表面上。各电极具有负载在碳粒子上的细碎催化剂粒子（例如铂粒子）以促进氢在阳极处的氧化和氧在阴极处的还原。质子从阳极穿过离子传导聚合物膜流向阴极，在此它们与氧结合形成水，水从电池中排出。典型地，离子传导聚合物膜包括全氟磺酸(PFSA)离聚物。

MEA夹在一对多孔气体扩散层（“GDL”）之间，这对GDL又夹在一对导电元件或板之间。该板充当阳极和阴极的集流器，并含有在其中形成的用于将该燃料电池的气态反应物分配在各自的阳极和阴极催化剂表面上的适当的通道和开口。为了有效地产生电力，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、可传输质子的、不导电的和不透气的。在典型用途中，燃料电池以在堆中的许多单个燃料电池的阵列形式提供以提供大量电力。尽管与离子传导膜相关的现有技术合理地良好运行，但必须小心操作以确保膜保持湿润。特别地，有相当大兴趣的是能够在具有最小限度的外部增湿下于升高的温度操作的用于汽车燃料电池应用的聚合电解质膜。

因此，需要能够在具有最小限度外部增湿的情况下于升高的温度操作的改进的离子传导膜。

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应用的离子传导膜解决了现有技术的一个或多个问题。该离子传导膜包括聚乙烯基聚合物与不同于聚乙烯基聚合物的离子传导聚合物的组合。有利地，该实施方案的离子传导膜能够在燃料电池中在具有最小限度外部增湿的情况下于升高的温度(高达120℃)操作。

本发明进一步体现在如下方面：

1.燃料电池，包括：

第一催化剂层；

第二催化剂层；

插入在所述第一和第二催化剂层之间的离子传导膜，所述离子传导膜包括：

聚乙烯基聚合物；

不同于所述聚乙烯基聚合物的离子传导聚合物；

和

与所述第一和第二催化剂层连通的一组导电流场板。

2.方面1的燃料电池，其中所述聚乙烯基聚合物包括聚乙烯基酯。

3.方面1的燃料电池，其中所述聚乙烯基酯包括具有下式的多个部分：

其中R是烷基或芳基。

4.方面1的燃料电池，其中所述聚乙烯基酯包括聚乙酸乙烯酯。

5.方面1的燃料电池，其中所述离子传导聚合物包括多个给质子基团。

6.方面5的燃料电池，其中所述给质子基团包括选自由-SO₂X、-PO₃H₂和-COX组成的组的组员，

X是-OH、卤素、酯或

; 和

R₄是三氟甲基、C_1-25烷基、C_1-25全氟亚烷基或C_1-25芳基。

7.方面1的燃料电池，其中所述离子传导聚合物包括PFSA聚合物。

8.方面1的燃料电池，其中所述离子传导聚合物包括全氟环丁基。

9.方面1的燃料电池，其中所述离子传导聚合物包括由式1描述的聚合物：

                        1

其中：

E₀是具有给质子基团例如-SO₂X、-PO₃H₂、-COX等的部分；

P₁、P₂各自独立地为：不存在、-O-、-S-、-SO-、-CO-、-SO₂-、-NH-、NR₂-或-R₃-；