[发明专利]膜结构

说明书

本发明涉及一种膜，尤其是一种适用于燃料电池中的膜。

燃料电池是一种包含通过电解质隔开的两个电极的电化学电池。将诸如氢气或醇如甲醇或乙醇的燃料供应至正极并将诸如氧气或空气的氧化剂供应至负极。在电极处发生电化学反应，并将燃料和氧化剂的化学能转化成电能和热。使用电催化剂以促进燃料在正极处的电化学氧化和氧气在负极处的电化学还原。

在质子交换膜(PEM)燃料电池中，电解质为固体聚合物膜。所述膜电绝缘但可传导离子。在所述PEM燃料电池中，所述膜可传导质子，且在正极处产生的质子穿过所述膜而传输到负极，在那里该质子与氧气化合以形成水。

PEM燃料电池的主要组件称作膜电极组件(MEA)并基本由五个层构成。中心层是聚合的离子传导性膜。在离子传导性膜的任一侧上，存在电催化剂层，其含有设计用于特定电催化反应的电催化剂。最后，与各个电催化剂层相邻着，存在气体扩散层。所述气体扩散层必须使得反应物到达电催化剂层并必须传导电流，所述电流是通过电化学反应而产生的。因此，气体扩散层必须多孔并导电。

常规地，以中心的聚合的离子传导性膜延伸至MEA边缘的方式构造MEA，同时气体扩散层和电催化剂层的面积小于所述膜的面积，使得仅在MEA外围的周围存在一个包含离子传导性膜的区域。不存在电催化剂的区域为非电化学活性区域。通常将典型地由非离子传导性聚合物形成的膜层布置在离子传导性膜露出表面上的MEA的边缘区域周围，以密封和/或补强所述MEA的边缘，其中在所述边缘区域中不存在电催化剂。在所述膜层的一个或两个表面上可存在胶粘剂层。

因此，许多用于膜中的聚合的离子传导材料伸出电化学活性区域而进入非电化学活性区域，通常伸出超过至多几厘米。在小几何面积的MEA中，这种非电化学活性区域能够占整个MEA几何面积的多达50%。伸出所述电化学活性区域的膜对活性和性能没有帮助。所述聚合的离子传导性膜是燃料电池中最昂贵的组件之一，为了提高燃料电池的商业生存能力，需要降低这些燃料电池的成本。

本发明的目的是提供一种更低成本的膜，尤其是用于燃料电池的膜，其相对于现有技术的膜适当具有更高的耐久性和尺寸稳定性。另外的目的是提供一种在并入MEA中时展示更高性能的膜。

因此，本发明提供一种适用于燃料电池中的膜，其中所述膜包含：

(a)中心区域，其包含离子传导性聚合材料；

(b)边界区域，其在所述中心区域周围产生边框并由一种或多种非离子传导性材料构成，其中所述一种或多种非离子传导性材料中的至少一种材料形成层；

其中所述边界区域的非离子传导性材料与所述中心区域的离子传导性聚合材料在重叠区域中重叠0~10mm。

所述中心区域包含一个或多个离子传导性聚合材料层并与在电化学电池中使用时的电化学活性区域相对应。当在中心区域中存在两个或更多个的层时，各个层可以为相同或不同的离子传导性聚合材料。

合适的离子传导性聚合材料包括：可传导质子的聚合物或可传导阴离子的聚合物，例如可传导氢氧根阴离子的聚合物。合适的可传导质子的聚合物的实例包括全氟磺酸离子交联聚合物(PFSA)(例如(E.I.DuPont de Nemours and Co.)、(Asahi Kasei)、Aquivion^TM(Solvay Solexis SpA)、(Asahi Glass Co.)、F-系列(FuMA-Tech GmbH))、由烃类聚合物制成的离子交联聚合物(例如基于经聚亚芳基磺酸(FuMA-Tech GmbH)或磷酸浸渍的聚苯并咪唑的P-系列)。合适的可传导阴离子的聚合物的实例包括由Tokuyama Corporation制造的A901和源自FuMA-Tech GmbH的Fumasep FAA。

离子传导性聚合材料可含有增强剂，典型地整体嵌入离子传导性聚合材料中以提供更高的机械性能如更高的抗撕裂性和水合和脱水时下降的尺寸变化。所使用的增强剂的实例包括具有节点和原纤维结构的网、电纺网和非机织纤维网，所述具有节点和原纤维结构的网通常通过反相偏析和随后的拉伸而形成。优选的增强剂是基于但不仅仅基于以下物质：氟聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)的多孔网或纤维，如同在US6,254,978、EP0814897和US6,110,330中所述的；或聚偏二氟乙烯(PVDF)；或替代性材料如PEEK、聚乙烯或聚酰亚胺类纤维。