[發明專利]用于燃料電池的具有層合結構和取向控制的納米纖維增強添加劑的膜

在審

• 申請號: 201210252470.8
• 申請日: 2012-07-20
• 公開（公告）號: CN102891327A
• 公開（公告）日: 2013-01-23
• 發明（設計）人: R.蔣;T.J.富勒;C.S.吉特爾曼
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/86;H01M4/62
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 徐厚才;萬雪松

技術領域

在至少一個方面中，本發明涉及聚合物電解質(polymer?electrolytes)和結合有這種聚合物電解質的燃料電池。

背景技術

燃料電池是通過加工反應物，例如通過氫氣和氧氣的氧化和還原，來產生電能的電化學轉化電池。耐久性是決定燃料電池的商業可行性的因素之一。例如，車輛燃料電池需要耐久至少5000小時。這樣的高耐久性(durability)要求對考慮用于燃料電池的聚合物電解質膜（polymeric?electrolyte?membrane,?PEM）材料提出了挑戰。機械失敗是燃料電池膜的主要失敗模式之一。

為了改善燃料電池膜機械穩定性，目前燃料電池工業中主要的焦點之一是開發內部增強的膜。這種內部增強的膜的一個典型例子是這樣的膜，其在所述膜內具有連續網絡形式的膨脹聚四氟乙烯（expanded?Polytetrafluoroethylene，ePTFE）層以增強其機械性能。((1).??S.?Cleghorn,?J.?Kolde,?W.?Liu:?Vielstich,?W.,?Gasteiger,?H.,和Lamm,?A.?(Eds.),?Handbook?of?Fuel?Cells?Volume?3:?Fundamentals,?Technology?and?Applications,?John?Wiley?&?Sons,?New?York,?2003,?pp.?566-575.??(2).?F.Q.?Liu,?B.L.?Yi,?D.M.?Xing,?J.R.?Yu,?H.M.?Zhang,?J.?Membr.?Sci.?212?(2003)?213-223.)所述ePTFE層顯著增加了所述膜的穿透電阻（through-plane?resistance），因此降低了燃料電池性能。

在本發明中提供了一種新的策略以在燃料電池膜中結合納米纖維（NF）增強添加劑來改善膜機械耐久性。該新的膜制備技術包括層合的膜結構和取向控制的納米纖維增強添加劑。所述層合的膜具有由經增強的層和未經增強的層組成的多層結構。在所述膜的所述經增強的層中引入納米纖維添加劑并且將所述納米纖維的取向控制在優選的面內方向（in-plane?direction）。施加純離聚物材料來形成所述膜的所述未經增強的層。所得到的最新技術水平的膜是這樣的膜，其以較小的電阻犧牲顯示了降低的面內膨脹（swelling）和燃料電池測試中改進的耐久性。

發明內容

在至少一個實施方案中，本發明通過提供用于燃料電池應用的離子傳導膜（ion-conducting?membrane）解決了現有技術的一個或多個問題。所述離子傳導膜包括第一層，所述第一層包含第一離子傳導聚合物和分散于其中的納米纖維。所述第一層包括第一側和第二側。第二層置于所述第一層的所述第一側上并包括第二離子傳導聚合物但沒有納米纖維。

在另一個實施方案中，提供了用于燃料電池的膜電極組件。所述膜電極組件包括陽極層；陰極層；和插在所述陽極層和所述陰極層之間的離子傳導膜。所述離子傳導膜包括第一層，所述第一層包含第一離子傳導聚合物和分散于其中的納米纖維。所述第一層包括第一側和第二側。第二層置于所述第一層的所述第一側上并包括第二離子傳導聚合物但沒有納米纖維。

本發明進一步體現在如下方面：

1.用于燃料電池的離子傳導膜，所述離子傳導膜包含：

包含第一離子傳導聚合物和納米纖維的第一層，所述納米纖維分散在所述第一離子傳導聚合物之內，所述第一層包括第一側和第二側；

置于所述第一層的所述第一側上的第二層，所述第二層包含第二離子傳導聚合物但沒有納米纖維。

2.根據方面1的離子傳導膜，其中所述第一離子傳導聚合物和所述第二離子傳導聚合物各自獨立地包含選自以下的組分：全氟磺酸聚合物，基于烴的離聚物，磺化的聚醚醚酮聚合物，全氟環丁烷聚合物和它們的組合。

3.根據方面1的離子傳導膜，其中所述納米纖維是聚合物納米纖維或無機納米纖維。

4.根據方面1的離子傳導膜，其中所述納米纖維包括選自以下的組分：聚偏二氟乙烯，聚酯和它們的組合。