[发明专利]具有改进机械强度和质子传导率的燃料电池的膜-电极组件及其制造方法

说明书

本发明公开了一种具有改进机械强度和质子传导率的燃料电池的膜‑电极组件及其制造方法。用于燃料电池的膜‑电极组件可以包括电解质膜，所述电解质膜包含膦酸官能化的氧化石墨烯从而改善其机械强度和质子传导率，以及该膜‑电极组件的制造方法。

技术领域

本发明涉及燃料电池的膜-电极组件及其制造方法。特别地，燃料电池的膜-电极组件可以包括电解质膜，所述电解质膜包含膦酸官能化的氧化石墨烯从而改进其机械强度和质子传导率。

背景技术

包含全氟磺酸离聚物的电解质膜已经在聚合物电解质膜燃料电池领域中最广泛地使用，因为该电解质膜表现出高的质子传导率和在高湿度下的高稳定性。然而，由于基于纯的全氟磺酸离聚物的电解质膜具有低玻璃化转变温度和高温下的低质子传导率，电解质膜的机械稳定性和尺寸稳定性可能会大大降低。由于这些原因，应用普通的全氟离聚物电解质膜的燃料电池只能在95℃或以下的受限温度下运行。另外，由于基于全氟离聚物的电解质膜的质子传导率主要取决于存在水的位置处通过磺酸的质子传导机理，将电解质膜保持在最佳水分状态下是非常重要的。

近年来，已经尝试将基于全氟磺酸离聚物的电解质与氧化石墨烯混合以改善电解质膜的质子传导率以及热性质和机械性质。在这种情况下，由于氧化石墨烯独特的平坦结构和宽的表面积，可以提供大量的质子传递通道并且保持大量的水分。另外，可以改善电解质膜的机械性质。

公开于背景技术部分的上述信息仅仅旨在加深对本发明背景技术的理解，因此其包含的信息并不构成在本国已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

在优选的方面，提供了一种膜-电极组件，所述膜-电极组件包括具有改善的吸水性质的电解质膜。包括电解质膜的膜-电极组件可以具有高的质子传导率。还提供了一种包括电解质膜的膜-电极组件，所述电解质膜表现出比全氟磺酸(nafion)电解质膜更高的质子传导率。

还提供了一种膜-电极组件，其包括具有改善的机械稳定性和尺寸稳定性的电解质膜。

本发明的目的不限于上述目的。通过以下描述将清楚地理解本发明的目的，并且可以通过权利要求中限定的手段及其组合来实现本发明的目的。

在一个方面，提供了一种用于燃料电池的膜-电极组件。膜-电极可以包括：电解质膜和设置在包含氧化石墨烯的电解质膜的第一表面和第二表面上的一对电极。氧化石墨烯可以包含膦酸(PO₃H₂)，因此氧化石墨烯可以被膦酸官能化。

电解质膜的第一表面和第二表面在相对的方向上彼此面对。

本文使用的术语“官能化的氧化石墨烯”是指在氧化石墨烯的表面内或表面上含有官能团(例如，化学官能团)。优选地，官能化的氧化石墨烯可以通过附接至化学官能团而被官能化，例如通过其含氧官能团(例如羧基、羟基、环氧基)形成共价键。在某些实施方案中，可以通过将膦酸附接至其表面来官能化氧化石墨烯，并且可以在氧化石墨烯的羧基、羟基或环氧基与膦酸之间形成共价键。

电解质膜可以适当地包含全氟磺酸离聚物(PFSA)。

基于电解质膜的总重量，电解质膜可以包含约0.01重量％至10.0重量％的量的膦酸官能化的氧化石墨烯。

电解质膜可以具有约50％或更高的吸水率。

电解质膜可以具有约0.04至0.40S/cm的质子传导率。

氧化石墨烯可以适当地包含选自羧基、羟基、环氧基及其组合中的一个以上含氧官能团。优选地，膦酸可以与含氧官能团的氧形成共价键。

膜-电极组件可以进一步包括一对离聚物复合膜，每个离聚物复合膜可以包括多孔增强膜。离聚物复合膜可以适当地设置在电极与电解质膜之间，从而附接至电解质膜的相对表面。