[發(fā)明專利]混合質(zhì)子交換膜

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110097630.5
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN113161591A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 克里斯托夫·瓦基耶;納塔利亞·羅維拉;克里斯托夫·巴韋雷爾;克里斯特爾·拉伯蒂-羅伯特;勞拉·庫斯坦;克萊芒特·桑謝斯
• 申請（專利權(quán)）人: 西姆比奧公司;法蘭西公學(xué)院;索邦大學(xué);國家科學(xué)研究中心
• 主分類號: H01M8/1041
• 分類號: H01M8/1041;H01M8/1072;H01M8/1004
• 代理公司: 北京銀龍知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11243
• 代理人: 金鮮英;鐘海勝

本發(fā)明涉及一種混合質(zhì)子交換膜，用于燃料電池，所述膜具有自再生性質(zhì)，以及涉及包含所述膜的電池和它們通過電紡絲的制造方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及在這些電池中使用的質(zhì)子交換膜。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜或聚合物電解質(zhì)膜(PEM)是半滲透性膜，其允許質(zhì)子傳導(dǎo)，同時對氣體如二氧(dioxygène)或氫等不滲透：質(zhì)子可穿過膜，而氣體被阻止。PEM通常由純聚合物膜或基于聚合物的復(fù)合膜制成。

基于四氟乙烯和全氟(烷基乙烯基醚)的磺化共聚物的燃料電池膜也是已知的。因此，由質(zhì)子交換膜的制造商最常用的材料之一是Nafion，這是由杜邦公司生產(chǎn)的磺化氟化共聚物。

CA2950775描述了電紡纖維的網(wǎng)絡(luò)以增強燃料電池膜。

US2007/0213494描述了基于二氧化硅的有機-礦物(混合)聚合物及其作為質(zhì)子交換材料的用途。

然而，由于高溫或極低溫和較高相對濕度(接近90％)以及過氧化氫(H₂O₂)的形成，燃料電池的運行會導(dǎo)致膜的降解，其中過氧化氫使所述材料降解。

因此，有必要提供一種改進的膜，該膜對這些運行約束更具抵抗力，并且具有更長的使用壽命。

因此，本發(fā)明提供了一種基于混合材料(matériau hybride)的膜，該混合材料基于有機和無機組分，所述膜尤其能夠與過氧化氫反應(yīng)以保持優(yōu)良的機械和導(dǎo)電性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)第一個目的，本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的質(zhì)子交換膜，所述膜包含在陽極側(cè)的陽極面和在陰極側(cè)的陰極面，所述膜包含兩個層：

導(dǎo)電性且自再生性陰極層，其提供陰極面，并包含至少一種具有SO₃H官能團的聚合物(iii)，和

導(dǎo)電性陽極層，其提供陽極面并包含至少一種具有SO₃H官能團的聚合物(iii')；

所述聚合物(iii)和(iii')可以是相同或不同的；

所述膜特征在于，所述陰極層包含至少一種具有巰基官能團(-SH)的聚合物(i)。

根據(jù)本發(fā)明，所述膜具有陰極SH官能團，即SH官能團存在于膜的陰極層內(nèi)。

這些SH官能團也可以存在于燃料電池的陰極催化層內(nèi)。

因此，包含根據(jù)本發(fā)明的膜的電池有利地包含通過SH官能團官能化的區(qū)域，該區(qū)域從膜的陰極層延伸至在其表面存在的陰極催化層。

根據(jù)一個實施方案，-SH官能團可以均勻地分布在陰極層內(nèi)，并且任選地分布在陰極催化層內(nèi)。

或者，它們可以以-SH官能團朝向陰極表面增加的濃度梯度進行分布。該梯度說明SH官能團的濃度從陰極層與陽極層的內(nèi)部面朝向其外部面(提供與陰極催化層的界面)逐漸增加。

術(shù)語“膜的內(nèi)部面”應(yīng)理解為是指在陰極層和陽極層之間的界面。

術(shù)語“膜的外部面”應(yīng)理解為是指其陰極面和陽極面，它們分別提供與陰極催化層和陽極催化層的界面。

根據(jù)本發(fā)明的質(zhì)子交換膜是自再生性的，因為它們使用在電池運行過程中產(chǎn)生的并使膜降解的有害的過氧化氫。在陰極層中(并任選地在陰極催化層中)存在的SH官能團反應(yīng)并消耗過氧化氫，由此防止其有害積累。另外，該反應(yīng)產(chǎn)生SO₃H官能團，其保持導(dǎo)電性質(zhì)，甚至再生并提高導(dǎo)電性質(zhì)。

因此，根據(jù)本發(fā)明的膜使得可以顯著提高燃料電池的性能和壽命。

根據(jù)一個實施方案，這些層例如由通過電紡絲獲得的混合纖維形成。