[发明专利]膜密封组件

说明书

公开了一种增强膜密封组件(图2)和它在电化学装置，特别是质子交换膜燃料电池中的用途。增强膜密封组件包含：(i)增强部件(1)，其中该增强部件是平坦的，并且包含第一表面(1a)和第二表面(1b)，和其中该增强部件包含：(a)中心区(2a)，该中心区包含多个从该增强部件的第一表面延伸到第二表面的孔(3)，该中心区具有第一孔面密度；(b)内周边边界区(2b)，其中该内周边边界区包围该中心区，和其中该内周边边界区没有孔；和(c)外周边边界区(2c)，其包含多个从该增强部件的第一表面延伸到该增强部件的第二表面的孔(4)，该外周边边界区具有第二孔面密度，其中该外周边边界区包围该内周边边界区；(ii)离子传导性材料(5)；和(iii)密封材料(6)。

发明领域

本发明涉及一种增强膜密封组件和它在电化学装置中的用途，特别是它在质子交换膜燃料电池中的用途。

发明背景

燃料电池是一种电化学电池，其包含由电解质隔开的两个电极。燃料例如氢气、醇如甲醇或乙醇、或者甲酸供给到阳极，氧化剂例如氧气或空气供给到阴极。电化学反应在电极处发生，并且燃料和氧化剂的化学能被转化成电能和热。电催化剂被用于促进燃料在阳极的电化学氧化和氧在阴极的电化学还原。

燃料电池通常根据所用的电解质的性质来分类。通常该电解质是固体聚合物膜，其中膜是电绝缘的，但是离子传导的。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，膜是质子传导的，并且在阳极处产生的质子跨过膜传输到阴极，在那里它们与氧结合来形成水。

PEMFC的主要部件是膜电极组件(MEA)，其基本上包含5层。中心层是聚合物离子传导膜。在离子传导膜的任一侧上存在电催化剂层，其含有设计用于特定的电催化反应的电催化剂。最后，与每个电催化剂层相邻的是气体扩散层。气体扩散层必须允许反应物到达电催化剂层，和必须传导电化学反应所产生的电流。所以，气体扩散层必须是多孔的和导电的。

用于燃料氧化和氧还原的电催化剂典型地基于铂或者与一种或多种其他金属形成合金的铂。铂或铂合金催化剂可以为未负载的纳米颗粒(例如金属黑或其他未负载的颗粒金属粉末)的形式，或者可以作为甚至更高表面积的颗粒沉积到导电碳基底或其他导电材料(负载的催化剂)上。

用于PEMFC中的常规离子传导性膜通常由全氟磺酸(PFSA)离聚物形成，并且这些离聚物形成的膜以商标名(E.I.DuPont de Nemours and Co.)、(Asahi Kasei)、(Solvay Specialty Polymers)和(AsahiGlass KK)销售。PFSA离子传导性膜可以含有增强物，例如平坦的多孔材料(例如USRE37307中所述的膨胀的聚四氟乙烯)，其嵌入到膜的厚度中，来为膜提供改进的机械强度，例如增大的抗撕裂性和在水合和脱水时减少的尺寸变化，因此增加MEA的耐久性和燃料电池的寿命。用于形成增强膜的其他方案包括公开在US7,807,063和US7,867,669中的那些，其中增强物是硬质聚合物膜例如聚酰亚胺，其中形成了许多孔，然后用PFSA离聚物填充。

常规上，MEA可以通过下文概述的许多方法来构建：

(i)可以将电催化剂层施用到气体扩散层上，来形成气体扩散电极。气体扩散电极可以置于离子传导膜的每一侧上，并层合在一起来形成5层MEA；

(ii)可以将电催化剂层施用到离子传导膜的两面上，来形成涂覆有催化剂的离子传导膜。随后，将气体扩散层施用到涂覆有催化剂的离子传导膜的每个面上。

(iii)可以由一侧上涂覆有电催化剂层的离子传导膜形成MEA，气体扩散层与该电催化剂层相邻，并且气体扩散电极在离子传导膜的另一侧上。