[發明專利]隔膜處理方法

有效

• 申請號: 200580040180.5
• 申請日: 2005-10-18
• 公開（公告）號: CN101437881A
• 公開（公告）日: 2009-05-20
• 發明（設計）人: T·J·福勒;B·T·多布利斯
• 申請（專利權）人: 通用汽車公司
• 主分類號: C08J5/22
• 分類號: C08J5/22;H01M8/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 張軼東;韋欣華

發明領域

本發明涉及燃料電池，其產生電以供給車輛或其它機器動力。更特別地，本發明涉及一種例如用低當量全氟代磺酸分散體或溶液處理隔膜(例如全氟代磺酸隔膜)的方法，用于將其用作燃料電池中采用的聚電解質隔膜(PEM)中以增強該膜的質子傳導性能。本發明還涉及用全氟代磺酸分散體或溶液處理聚電解質隔膜，用于將其用作燃料電池中的PEM來制造改進了水管理、水汽輸送和膜電阻降低的薄膜。此外，本發明允許改進的隔膜，其具有降低的內部機械應力，本發明提供一種裝置，其通過使該隔膜中離聚物與膜電極組件的催化劑層中離聚物之間匹配得較好而使得(處理過的)該隔膜和催化劑層之間的電接觸電阻減小。?

發明背景?

燃料電池技術是汽車工業中比較新的發展。已經發現燃料電池動力裝置能夠達到高達55％的效率。此外，燃料電池動力裝置僅放出熱和水作為副產品。?

燃料電池包括三種組件：陰極、陽極和電解質，其夾在陰極和陽極之間并且理想地僅通過質子。將每個電極用催化劑涂覆其一側。在工作中，陽極上的催化劑使氫分裂成電子和質子，該電子分布為來自陽極的電流，通過驅動電動機然后到陰極，而質子從陽極移動，通過電解質到陰極。陰極上的催化劑使該質子與從驅動電動機返回的電子以及來自空氣的氧結合形成水。單個的燃料電池可以被串聯堆疊在一起產生越來越大量的電流。?

在聚合物-電解質-隔膜(PEM)燃料電池中，聚合物電極隔膜用作陰極和陽極之間的電解質。當前在燃料電池應用中普遍采用的聚合物電極膜需要一定的濕度水平來促進該隔膜的導電性。因此，通過濕度/水管理在膜中保持適當的濕度水平對于該燃料電池的正常功能是非常重要的。如果該膜干燥無水，那么對于該燃料電池就將發生不可逆的損害。此外，穿過聚電解質隔膜遷移的每個質子具有水合球，理論上?該水合球包括至少四個水分子，特別是當大量水合質子移動通過該隔膜時，結果發生的電滲拖動導致該隔膜的陽極側干燥。因為在該隔膜的陰極側形成水，水分子必須從該隔膜的陰極側向后擴散到陽極側以使膜水合繼續進行并且為移動質子運輸提供通道。與厚的隔膜相比，薄的隔膜更易于保持均勻地水化，因為在較薄的隔膜中水更容易向后擴散。此外，在其它一切相等的情況下，薄隔膜的電阻小于厚隔膜的。此外，改良了的電阻還由于離聚物處理的膜能夠較好地與催化劑層中的離聚物匹配而得到改進。該催化劑層通常包括在催化劑制備過程期間加入的離聚物以提高活性。因此，本發明的離聚物處理的隔膜中電阻的改進部分地是由于厚度尺寸減小，而部分地是由于在離聚物處理的隔膜與催化劑層之間的接觸電阻減小。后者是采用與催化劑層中的離聚物匹配較好的離聚物處理隔膜的薄膜的結果。?

為了防止供給電極的氫燃料氣和氧氣泄漏以及防止這些氣體混合，將氣密材料和襯墊安裝到電極外圍，聚合物電解質膜被夾入其間。將所述的密封材料和襯墊裝配成一個部件，與電極和聚合物電解質隔膜一起形成隔膜和電極組件(MEA)。布置在MEA外面的是導電隔板，用于機械固定MEA并且電串聯相鄰的MEAs。給被布置成與MEA相接觸的該隔板的一部分設置了氣體通道，用于將氫燃料氣供給電極表面(在陽極側)以及除去產生的水汽(從陰極側)。?

在制造燃料電池期間，每個MEA的聚合物電解質隔膜被制造成拉緊的卷狀。該聚合物電解質隔膜具有高吸水性，因此，當潮濕時，該隔膜將在全部三個方向膨脹，雖然不是按比例地。該隔膜將在隨后干燥時在全部三個維度上收縮。?

因為當PEM燃料電池的隔膜干燥時，該隔膜的質子導電率迅速降低，所以需要外部潮濕來使該膜繼續水合和維持燃料電池的正常功能。而且，在汽車燃料電池中液態水的存在是不可避免的，因為在燃料電池工作期間產生了適量水作為電化學反應的副產物。此外，燃料電池的隔膜被水飽和可由溫度、相對濕度以及工作和停工條件迅速改變而引起。但是，過度的隔膜水合作用可導致溢流、該隔膜過度膨脹和形成跨越燃料電池堆的壓差梯度。?

為了保持一致的燃料電池堆壓力，需要膨脹均勻且然后在液態水存在的條件下僅在邊緣膨脹的隔膜。通常采用全氟代磺酸(PFSA)隔膜?是由于其有益的氧化、化學和熱穩定性，并且因為其在低相對濕度下具有極好的質子導電性。具有寬范圍物理性能的PFSA隔膜是有效的，并且性能取決于該隔膜的離子交換能力和內應力以及薄膜制備過程期間產生的缺陷。?