[发明专利]用于缓解燃料电池化学降解的方法

说明书

技术领域

本发明涉及离子传导聚合物、燃料电池膜和膜电极组件。

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。

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又夹在一对非多孔的导电元件或板之间。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，燃料电池以许多单个燃料电池堆的阵列形式提供以提供大量电力。

离子传导聚合物膜降解的一种机理是经由开路电压(OCV)和干燥操作条件（在升高的温度）下氟的损失(即氟化物散发)。需要至PFSA膜的添加剂来在这些条件下改进燃料电池寿命，提高膜耐久性并降低氟化物散发。

因此，需要具有降低的氟化物散发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具有改进的化学降解抵抗性的用于燃料电池应用的复合离子传导膜而解决了现有技术的一个或多个问题。本实施方案的复合膜包括具有预定空隙体积的载体结构。聚合电解质组合物与所述载体结构接触。该聚合电解质组合物包括具有全氟环丁基部分的第一聚合物和抑制聚合物降解的添加剂。

本发明进一步体现在如下方面：

1. 形成用于燃料电池应用的复合膜的方法，该方法包括：

a) 使载体结构与含第一聚合物溶液接触，所述含第一聚合物溶液包含第一聚合物和抑制聚合物降解的添加剂，所述载体具有预定孔隙度以使该含第一聚合物溶液透入由该预定孔隙度限定出的所述载体结构的内部区域中，其中所述含第一聚合物溶液涂覆至少一部分所述内部区域以形成在其中具有所述添加剂的第一经涂覆的载体结构；

b) 使所述第一经涂覆的载体结构与含第二聚合物溶液接触，该含第二聚合物溶液透入所述第一经涂覆的载体结构的内部区域以形成第二经涂覆的载体结构，其中与不用所述含第一聚合物溶液涂覆的载体结构相比，该含第二聚合物溶液的透入通过所述含第一聚合物溶液得到增强；和

c) 从所述第二经涂覆的载体结构除去溶剂以形成所述复合膜。

2. 方面1的方法，其中所述添加剂包括选自由含铈化合物、含锰化合物和含卟啉化合物组成的组的组分。