[發明專利]用于燃料電池的復合水管理電解質膜

有效

• 申請號: 200680054132.6
• 申請日: 2006-04-07
• 公開（公告）號: CN101416342A
• 公開（公告）日: 2009-04-22
• 發明（設計）人: R·M·達林;M·L·佩里
• 申請（專利權）人: UTC電力公司
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 段曉玲;韋欣華

技術領域

本發明涉及適用于運輸車輛、便攜式能量裝置中的、或者作為固定能量裝置的燃料電池，尤其涉及便于燃料電池內水管理的復合電解質膜。

背景技術

燃料電池是公知的并通常用于由含氫的還原性流體燃料和含氧的氧化劑反應物流制備電力來為電動裝置比如發電機和運輸車輛供電。在現有技術的燃料電池中，已知采用質子交換膜(PEM)作為電解質。如同所公知的，在陽極處形成的質子移動通過電解質到達陰極，并且通常理解的是，對于從電解質陽極側移動到陰極側的每一質子而言，大約三分子的水隨著所述質子一起拖曳到電解質的陰極側。為了防止PEM干枯，所述拖曳的水必須被替換或通過滲透流返回到PEM的陽極側。滲透流要求PEM陽極側的水含量低于陰極側以提供所需的驅動力。另外，在燃料電池的運行過程中，水在陰極催化劑處產生(“產物水”)，并且所述產物水可以通過直接流過PEM或者流過與所述產物水和陽極催化劑流體連通的水管理系統的水輸送板而移動到陽極側。

關鍵的是在水從陰極催化劑移開的速率和液體水供給陽極催化劑的速率之間保持適當的水平衡。如果供給或返回到陽極催化劑的水不足，那么PRM電解質的相鄰部分干燥，由此降低可以通過PEM傳遞的氫離子的速率。PEM電解質的干燥也導致PEM電解質的老化。這可能導致反應物流體的串擾，從而導致局部過熱。另外的，已知在電解質附近的電極催化劑載體材料通常包括碳，在使用之后所述碳載體材料變為親水性的。這種趨勢進一步使得在保持燃料電池水平衡中將產物水從陰極催化劑相鄰處移開的任務復雜化。

已經采用了許多方法來改善電化學電池的水輸送，包括努力提高PEM的水滲透性。這些努力包括減少PEM的厚度，比如在1996年8月20日授予Bahar等的美國專利5547551中和在1997年2月4日授予Bahar等的美國專利5599614中所公開的通過制備超薄一體式膜。盡管超薄PEM電解質具有改善的水滲透性，但是，由于PEM水滲透性和儲存的受限，導致電化學電池性能明顯受限。最近，2005年1月11日授予Breault的美國專利6841283(該專利由本發明的所有權利的擁有者擁有)公開了高水滲透性質子交換膜。該專利中公開的膜包括由在離聚物相中的結構材料所限定的大約10％的水填充微孔相。

但是，由于PEM電解質必須導離子同時不導電，所以所述結構材料的使用受限于不導電材料。通過增加孔尺寸以改善水滲透性，電解質膜具有較低的氣泡壓力等級，所以出現壓差的風險增大，從而導致膜破裂，進而導致反應物混合。另外，已知的超薄電解質膜為了具有足量機械強度來維持燃料電池在膜的相對側上的操作壓差，所述超薄膜的水滲透性下降。結果，由于PEM的干燥，比如在燃料電池的反應物入口處的干燥，發生已知的燃料電池定域化膜老化。另外，已知由于催化劑被產物水淹沒，所以長期燃料電池耐久性和性能下降。相應地，需要改善燃料電池水管理的燃料電池電解質膜。

發明內容

本發明是用于具有第一和第二電極催化劑的燃料電池的復合電解質膜。所述膜包括在由所述膜限定的相對的第一和第二接觸表面之間連續延伸的離聚物部分。所述離聚物部分是由陽離子交換樹脂組成的水合納米孔的離聚物。所述膜也包括微米孔的區域，所述區域由所述離聚物部分和選自顆粒材料、晶須材料或者纖維材料的結構基質組成。所述結構基質分散在所述微米孔區域中在所述離聚物內，以限定直徑為0.3-1.0微米之間的開孔。微米孔區域設置在所述膜的第一和第二接觸表面之間，并且和僅僅第一接觸表面或者僅僅第二接觸表面相鄰，或者可替換地，所述微米孔區域和第一接觸表面以及第二接觸表面都不相鄰。在所有實施方案中，微米孔區域不在膜的第一和第二接觸表面之間延伸。所述復合電解質膜固定在燃料電池的電極催化劑附近。

在優選實施方案中，所述復合電解質膜固定在燃料電池內部以使微米孔區域設置成鄰近膜的第一接觸表面，膜的第一接觸表面固定在鄰近所述燃料電池的陰極催化劑。在該實施方案中，膜的微米孔區域的較大的孔最接近陰極催化劑，而僅僅位于離聚物部分中的更小的納米孔最靠近陽極催化劑。通過這種設置，復合電解質膜充當在陰極催化劑處形成的產物水的水儲器，而最靠近陽極催化劑的較小的孔用于通過毛細作用將水從所述較大的孔拉向陽極催化劑附近的較小的孔，從而促進鄰近陽極催化劑的PEM的水合。