[發明專利]用于燃料電池的增強復合膜和包括該增強復合膜的膜電極組件

在審

• 申請號: 201380067604.1
• 申請日: 2013-12-27
• 公開（公告）號: CN104871354A
• 公開（公告）日: 2015-08-26
• 發明（設計）人: 金娜玲;慎鏞哲;李武錫;李瞳熏;李殷受
• 申請（專利權）人: 可隆工業株式會社
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;C08J5/22;H01M8/10
• 代理公司: 北京海智友知識產權代理事務所(普通合伙) 11455
• 代理人: 吳京順;姚志遠

技術領域

本發明涉及一種用于燃料電池的增強復合膜和一種包括所述增強復合膜的用于燃料電池的膜電極組件，由于離子導體浸漬均勻性和浸漬率的增加，其呈現改良的質子(氫離子)電導率。

背景技術

燃料電池是一種直接將由燃料氧化產生的化學能轉換成電能的電池，由于高能效和較少污染物排放的生態友好性而作為下一代能源備受關注。此種燃料電池一般具有電解質膜設于陽極和陰極之間的結構。

用于汽車的燃料電池的典型實例包括采用質子(氫氣)作為燃料的質子交換膜燃料電池。用于質子交換膜燃料電池的電解質膜應基本具有較高的質子電導率，因為它充當使陽極產生的氫離子(質子)運送到陰極的通道。此外，所述電解質膜應滿足諸如具有隔離供給陽極的氫氣和供給陰極的氧氣的優越性能、優良的機械強度、機械強度、形狀穩定性和耐化學性等，以及高電流密度時的低阻抗損耗的要求。尤其，用于汽車的燃料電池應具有優良的耐熱性，以在高溫下長時間使用時防止電解質膜破裂。

作為用于燃料電池的常用電解質膜，全氟磺酸樹脂是一種氟類樹脂(下文中稱為‘全氟磺酸樹脂’)。然而，全氟磺酸樹脂具有低機械強度的問題，長時間使用時產生針孔，這樣降低了能量轉換效率。為增強機械強度，使用增加了膜厚度的全氟磺酸樹脂。在這種情況下，產生諸如由于使用昂貴材料而導致的阻抗損耗增加和經濟效益降低的問題。

為解決這些問題和克服現有電解質膜的缺陷，提出一種增強復合膜。增強復合膜包括作為電解質的離子導體和克服單一電解質膜缺陷的多孔支撐體，如尺寸穩定性、耐久性和機械強度。包含增強復合膜的典型產品包括(由GORE-TEX公司生產)。所述增強復合膜通過將多孔聚四氟乙烯樹脂與氟類離子導體結合改善機械強度。然而，為了使燃料電池商業化，氟類離子導體和氟類多孔支撐體的使用不利地帶來需要降價的低競爭性。

相應地，開發了作為高成本氟類離子導體替代物的低成本烴類離子導體，但不利地烴類離子導體不能應用于氟類多孔支撐體。

需要適合于烴類離子導體的烴類多孔支撐體，更具體地，需要可用作與氟類離子導體及烴類離子導體復合物的多孔支撐體。此外，增強復合膜作為膜電極組件用于燃料電池，其電極連接到具有高尺寸穩定性的增強復合膜的兩面。相應地，為防止由電極和增強復合膜之間連接處的接觸瑕疵導致的燃料電池性能和耐久性的惡化，需要具有優良尺寸穩定性的增強復合膜。

發明內容

技術問題

因此，本發明基于上述問題提出，本發明的一個目的是提供一種用于燃料電池的增強復合膜，其由于離子導體浸漬均勻性和浸漬率的增加，而呈現改良的質子(氫離子)電導率。

本發明的另一個目的是提供一種用于燃料電池的包括改善燃料電池性能的增強復合膜的膜電極組件和包括所述膜電極組件的燃料電池。

技術方案

根據本發明，上述和其他目的可通過提供用于燃料電池的增強復合膜來實現，所述增強復合膜包括多孔支撐體，所述多孔支撐體包括三維不規則且不連續布局的聚合物納米纖維和第一離子導體；和填充在所述多孔支撐體氣孔內的第二離子導體，其中，所述第一離子導體以納米纖維形式存在于所述多孔支撐體中，或者，存在于所述聚合物納米纖維中而與所述聚合物一起形成所述納米纖維。

所述第一離子導體可為具有2.5mmol/g離子交換容量的烴類聚合物。

所述第一離子導體可選自以磺化聚芳醚砜、磺化聚醚醚酮、磺化聚砜、磺化苯乙烯-丁二烯和其混合物組成的組。

所述第一離子導體可與所述第二離子導體相同。

所述第一離子導體占所述多孔支撐體總重量的5％-50％。

所述多孔支撐體可包括不溶于有機溶劑的烴類聚合物。

所述多孔支撐體可包括聚酰亞胺。

所述多孔支撐體可具有50％-90％的孔隙度。

所述第二離子導體可為溶于有機溶劑的烴類聚合物。

所述第二離子導體可選自以磺化聚酰亞胺、磺化聚芳醚砜、磺化聚醚醚酮、磺化聚苯并咪唑、磺化聚砜、磺化聚苯乙烯、聚磷腈和其混合物組成的組。

所述第二離子導體占所述增強復合膜總重量的50％-99％。