[发明专利]混合质子交换膜

说明书

本发明涉及一种混合质子交换膜，用于燃料电池，所述膜具有自再生性质，以及涉及包含所述膜的电池和它们通过电纺丝的制造方法。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及在这些电池中使用的质子交换膜。

背景技术

质子交换膜或聚合物电解质膜(PEM)是半渗透性膜，其允许质子传导，同时对气体如二氧(dioxygène)或氢等不渗透：质子可穿过膜，而气体被阻止。PEM通常由纯聚合物膜或基于聚合物的复合膜制成。

基于四氟乙烯和全氟(烷基乙烯基醚)的磺化共聚物的燃料电池膜也是已知的。因此，由质子交换膜的制造商最常用的材料之一是Nafion，这是由杜邦公司生产的磺化氟化共聚物。

CA2950775描述了电纺纤维的网络以增强燃料电池膜。

US2007/0213494描述了基于二氧化硅的有机-矿物(混合)聚合物及其作为质子交换材料的用途。

然而，由于高温或极低温和较高相对湿度(接近90％)以及过氧化氢(H₂O₂)的形成，燃料电池的运行会导致膜的降解，其中过氧化氢使所述材料降解。

因此，有必要提供一种改进的膜，该膜对这些运行约束更具抵抗力，并且具有更长的使用寿命。

因此，本发明提供了一种基于混合材料(matériau hybride)的膜，该混合材料基于有机和无机组分，所述膜尤其能够与过氧化氢反应以保持优良的机械和导电性质。

发明内容

根据第一个目的，本发明涉及一种用于燃料电池的质子交换膜，所述膜包含在阳极侧的阳极面和在阴极侧的阴极面，所述膜包含两个层：

导电性且自再生性阴极层，其提供阴极面，并包含至少一种具有SO₃H官能团的聚合物(iii)，和

导电性阳极层，其提供阳极面并包含至少一种具有SO₃H官能团的聚合物(iii')；

所述聚合物(iii)和(iii')可以是相同或不同的；

所述膜特征在于，所述阴极层包含至少一种具有巯基官能团(-SH)的聚合物(i)。

根据本发明，所述膜具有阴极SH官能团，即SH官能团存在于膜的阴极层内。

这些SH官能团也可以存在于燃料电池的阴极催化层内。

因此，包含根据本发明的膜的电池有利地包含通过SH官能团官能化的区域，该区域从膜的阴极层延伸至在其表面存在的阴极催化层。

根据一个实施方案，-SH官能团可以均匀地分布在阴极层内，并且任选地分布在阴极催化层内。

或者，它们可以以-SH官能团朝向阴极表面增加的浓度梯度进行分布。该梯度说明SH官能团的浓度从阴极层与阳极层的内部面朝向其外部面(提供与阴极催化层的界面)逐渐增加。

术语“膜的内部面”应理解为是指在阴极层和阳极层之间的界面。

术语“膜的外部面”应理解为是指其阴极面和阳极面，它们分别提供与阴极催化层和阳极催化层的界面。

根据本发明的质子交换膜是自再生性的，因为它们使用在电池运行过程中产生的并使膜降解的有害的过氧化氢。在阴极层中(并任选地在阴极催化层中)存在的SH官能团反应并消耗过氧化氢，由此防止其有害积累。另外，该反应产生SO₃H官能团，其保持导电性质，甚至再生并提高导电性质。

因此，根据本发明的膜使得可以显著提高燃料电池的性能和寿命。

根据一个实施方案，这些层例如由通过电纺丝获得的混合纤维形成。