[发明专利]膜和方法

说明书

一种增强型离子传导性膜，其包含：包含多孔聚合物材料的平面增强性组分；嵌入该平面增强性组分的至少一个区域中的离子传导性组分，该离子传导性组分包含离子传导性聚合物材料；和化学键合至该平面增强性组分和该离子传导性组分二者的连接基团。该增强型离子传导性膜可用作膜电极组件中的膜，例如用于燃料电池中。

技术领域

本发明涉及一种适用于燃料电池的增强型离子传导性膜和一种制造增强型离子传导性膜的方法。本发明进一步提供一种催化剂涂覆的增强型离子传导性膜和包含本发明的增强型膜的膜电极组件。

背景技术

燃料电池是包含由电解质分隔的两个电极的电化学电池。将燃料，例如氢气或醇如甲醇或乙醇，供应到阳极，并将氧化剂，例如氧气或空气，供应到阴极。在电极处发生电化学反应，燃料和氧化剂的化学能被转化成电能和热。使用电催化剂来促进阳极处燃料的电化学氧化和阴极处氧气的电化学还原。

在氢气作为燃料或醇作为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，电解质是实心聚合物膜，其是电子绝缘性的和质子传导性的。阳极处产生的质子被跨过膜输送到阴极，在这里它们与氧结合来形成水。最广泛使用的醇燃料是甲醇，PEMFC的这种变体经常称作直接甲醇燃料电池(DMFC)。

已知PEMFC的主要部件是膜电极组件(MEA)，其主要包含5层。中心层是聚合物离子传导性膜。离子传导性膜的每一侧均有电催化剂层，含有设计用于特定电催化反应的电催化剂。最后，邻接各电催化剂层是气体扩散层。气体扩散层必须允许反应物达到电催化剂层，并且必须传导由电化学反应产生的电流。所以，气体扩散层必须是多孔的和导电的。

常规地，MEA可以由下面列出的多种方法来构造：

(i)可以将电催化剂层施加到气体扩散层以形成气体扩散电极。两个气体扩散电极可以置于离子传导性膜的每一侧并层合在一起，以形成五层MEA；

(ii)可以将电催化剂层施加到离子传导性膜的两面，以形成催化剂涂覆的离子传导性膜。随后，将气体扩散层施加到催化剂涂覆的离子传导性膜的两个面。

(iii)可以由一侧上涂覆有电催化剂层的离子传导性膜，与该电催化剂层邻接的气体扩散层，和该离子传导性膜另一侧上的气体扩散电极来形成MEA。

用于PEM燃料电池的常规离子传导性膜通常由磺化的全氟聚合物材料(经常统称为全氟化磺酸(PFSA)离聚物)形成。由这些离聚物形成的膜以如下商标名销售：Nafion^TM(例如来自于Chemours Company的N115或N117)、Aciplex^TM(Asahi Kasei Chemicals Corp.)和Flemion^TM(Asahi Glass Group)。其他氟化型膜包括以如下商标名销售的那些：F(例如来自于FuMA-Tech GmbH的F-930或F-950)、来自于Solvay SpecialtyPolymers的和来自于Golden Energy Fuel Cell Co.,Ltd的GEFC-10N系列。

作为基于全氟化的和部分氟化的聚合物的离子传导性膜的一个替代选项，可以使用基于非氟化的磺化或膦酸化的烃聚合物，特别是聚亚芳基聚合物的离子传导性膜。

基于PFSA或烃的离子传导性膜可以包含通常整个嵌入该膜内的增强物，以提供改进的机械性能例如增加的抗撕裂性和在水合和脱水时减少的尺寸变化。优选的增强物可以基于含氟聚合物例如聚四氟乙烯(PTFE)的微孔网或纤维，如US6,254,978、EP0814897和US6,110,330中所述，或者聚偏氟乙烯(PVDF)。具体地，增强物可以基于膨胀的PTFE(ePTFE)。