[發明專利]離子傳導膜結構

在審

• 申請號: 201610072963.1
• 申請日: 2009-03-04
• 公開（公告）號: CN105680078A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: D.E.巴恩韋爾;A.J.霍奇金森;T.R.拉爾夫
• 申請（專利權）人: 約翰遜馬西燃料電池有限公司
• 主分類號: H01M8/1051
• 分類號: H01M8/1051;H01M8/1053
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 張萍;彭昶

本申請是申請號為200980108866.1(國際申請號為 PCT/GB2009/050217)、申請日為2009年3月4日、發明名稱為“離 子傳導膜結構”的中國專利申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及一種適用于電化學器件如燃料電池中的新型離子傳 導膜結構。

背景技術

燃料電池為包含由電解質分開的兩個電極的電化學電池。將燃料 如氫氣或諸如甲醇或乙醇的醇供給于陽極，將氧化劑如氧氣或空氣供 給于陰極。電化學反應在電極處發生，將燃料和氧化劑的化學能轉化 為電能和熱。將電催化劑用于促進陽極處燃料的電化學氧化和陰極處 氧氣的電化學還原。

在質子交換膜(PEM)燃料電池中，電解質為固體聚合物膜。所述 膜是電子絕緣但離子傳導的。所述膜通常是質子傳導的，而陽極處產 生的質子被輸運通過膜而到達陰極，在陰極處其與氧氣化合形成水。

PEM燃料電池的主要部件稱為膜電極組件(MEA)且基本由五個 層組成。中心層為聚合物離子傳導膜。在離子傳導膜的任一側上有電 催化劑層，所述電催化劑層包含為特定電解反應所設計的電催化劑。 最后，有氣體擴散層與各個電催化劑層相鄰。氣體擴散層必須允許反 應物到達電催化劑層且必須傳導電化學反應所生成的電流。因此，氣 體擴散層必須是多孔且電傳導的。

MEA可通過若干方法構建。可向氣體擴散層施加電催化劑層以 形成氣體擴散電極。可將兩個氣體擴散電極置于離子傳導膜的每一側 并層壓在一起而形成五層MEA。或者，可向離子傳導膜的兩面施加 電催化劑層以形成涂覆了催化劑的離子傳導膜。隨后向涂覆了催化劑 的離子傳導膜的兩面施加氣體擴散層。最后，可由在一側上涂覆了電 催化劑層的離子傳導膜、與該電催化劑層相鄰的氣體擴散層和離子傳 導膜的另一側上的氣體擴散電極形成MEA。

對于大多數應用，通常需要數十或數百個MEA來提供足夠的功 率，因此將多個MEA組裝構成燃料電池堆。場流板(fieldflowplate) 被用來分開MEA。所述板具有若干功能：向MEA供給反應物、移除 產物、提供電連接并提供物理支承。

PEM燃料電池中使用的常規離子傳導膜通常由全氟磺酸(PFSA)離聚物形成，由這些離聚物形成的膜以商品名(E.I.DuPontdeNemoursandCo.)、(AsahiKasei)和(AsahiGlassKK)出售。這類基于PFSA的離子傳導膜適于由具有經由醚鍵與聚合物主鏈相連的側鏈的聚合物形成。PFSA離聚物的典型結構在下面示出。

PFSA的典型結構

作為PFSA離子傳導膜的替代方案，可使用基于磺化或磷酸化烴聚合物的離子傳導膜，例如聚亞芳基化合物，包括聚醚砜(如聚亞芳基砜(PSU，)、聚亞芳基醚砜(PES，)和聚醚酮(如聚亞芳基醚醚酮(PEEK，)、聚亞芳基醚醚酮酮(PEEKK，)、聚亞芳基醚酮醚酮酮(PEKEKK，)和聚亞芳基醚酮(PEK，))。也可使用聚苯并唑聚合物(polybenzazolepolymer)如芳基或烷基取代的聚苯并咪唑(如聚苯并咪唑-N-芐基磺酸酯)、聚苯并唑和聚苯并噻唑。

PFSA或基于烴的離子傳導膜可含增強劑以提供改進的力學性質 如提高的抗撕裂性及水合和脫水時減小的尺寸變化。優選的增強劑可 基于但不限于微孔纖網或氟聚合物纖維如聚四氟乙烯(PTFE)(如US 6,254,978、EP0814897和US6,110,330中所述)或聚偏二氟乙烯(PVDF) 或其他材料如PEEK或聚乙烯。

為使PEM燃料電池得到廣泛采用，需要同時提供所需的性能和 耐久性。提高性能水平的動力已帶來厚30μm以下的薄PFSA離子傳 導膜的采用，特別是對于汽車應用。薄離子傳導膜的使用將提高高電 流密度MEA性能。雖然薄離子傳導膜已提供了提高的性能，但仍需 要改善含薄離子傳導膜的MEA的耐久性。離子傳導膜過早損毀的源 頭歸因于機械應力和化學侵蝕所造成的針孔或撕裂。向離子傳導膜中 引入增強劑可緩解離子傳導膜的機械損毀。