[发明专利]用于制备要装配在膜电极组件中的膜的方法和膜电极组件

说明书

本发明涉及一种用于制备要装配在膜电极组件中的膜的方法。此 外，本发明涉及一种膜电极组件。

聚合物电解质燃料电池(PEFC)在现有技术中是众所周知的。单 个电池包括用作电解质、分别夹在阳极和阴极这两个电极之间的固体 聚合物膜。这种分层部件被称为膜电极组件(MEA)。该MEA通常被装 配到压滤机型电池壳体中，该压滤机型电池壳体提供到电极的电子接 触并且包括用于反应物分布和产物移除的装置。通常，堆叠通过双极 板分开的多个单独的燃料电池，以形成燃料电池堆，以便通过串联多 个燃料电池来获得所希望的工作电压。

在PEFC中，聚合物电解质或质子交换膜(PEM)用作合适的质子 导体以及阳极和阴极室的隔离体。在操作期间，将氢气、包含氢气的 气体混合物或者甲醇和水的混合物提供给阳极，而将氧气或空气提供 给阴极。

在存在沉积在膜电极界面上的催化剂、例如铂时，氢气分子在阳 极侧分裂成质子和电子，而在阴极侧氧气分子和质子和电子反应以形 成水。在阳极和阴极之间，电子经由外部电路进行交换，其中电负载 是所述电路的一部分，而质子经由质子交换膜进行交换。

例如在国际专利申请WO 2005/004265中公开了这样一种燃料电 池，该国际专利申请涉及在操作这种类型的燃料电池期间的至关重要 的问题、也就是聚合物电解质膜的适当润湿的解决方案。另一个要严 肃对待的重要问题是质子交换膜的适当的设计。所提出的一种用于制 造质子交换膜的方法是辐射接枝工艺，为组分提供合适的机械稳定性 并且同时提供良好的质子导电性和水传输特性。这些方面都在还未公 开的国际专利申请PCT/EP2004/006362中进行了处理。

尽管有这些解决方案，但是仍然希望设想到用于PEFC的材料和组 分，这些材料和组分能够解决某些遗留难题，例如当双极板材料与酸 性质子交换膜接触时各个电池的密封和/或双极板材料的腐蚀。此外， 利用膜作为密封部件是PEFC界中的典型方案，可能由于膜的水合状态 的变化而导致材料内的机械应变。

因此，本发明的一个目的是提供一种用于制备要装配在膜电极组 件中的膜的方法以及一种膜电极组件，该目的以提供创造性的解决方 案的方式来解决这些问题。

在根据本发明的膜电极组件方面，该目的通过一种膜电极组件来 实现，该膜电极组件包括夹在阴极层和阳极层之间的聚合物电解质 层，其中所述聚合物电解质层是非离子和非电子导电的预成型的通过 辐射接枝和磺化而局部改性的聚合物薄膜，由此在要被电极覆盖的薄 膜区(活性区)以及在该活性区之外或之内的区域中的薄膜的未被处 理的部分中提供质子导电性。因此，必须强调的是，术语“未被处理 的部分”通常应在未被辐照的部分中的特性不同于被辐照的部分中的 特性的意义上来理解。

在根据本发明的方法方面，该目的通过一种用于制备要装配在膜 电极组件中的膜的方法来实现，该方法包括以下步骤：

a)利用具有预定辐照剂量和分布的电磁和/或粒子辐射对预成型 的聚合物薄膜的部分进行辐照，以便限定被辐照的部分以及在该薄膜 的所述被辐照的部分中形成反应中心、即自由基。

b)使包括被辐照的部分的聚合物薄膜暴露于受自由基聚合作用的 单体或单体混合物，以便实现接枝共聚物在所述被辐照的部分中的形 成。可能需要另外的步骤、例如接枝组分的磺化来引入所希望的质子 导电功能。

该方法和该组件得到一种聚合物薄膜，由于辐照的受控制的局部 分布，该聚合物薄膜具有特性截然不同且适当的用作燃料电池电解质 的区域。因此，可以在相同聚合物薄膜内产生大量改性的部分，这些 改性的部分在其水膨胀状态下具有质子导电特性，通过未改性的原始 绝缘起始材料的部分被分离。

这允许在单个聚合物薄膜内包括多个单独的燃料电池。此外，该 方法允许为了不对称接枝的目的而在相同的“激活”部分内并且还在 膜的厚度上实现各种薄膜的附加梯度以及膜特性、例如传导性、吸水 性等等。

因此，在该方法的优选实施例中，可以选择所述预定辐照分布， 以便提供从要被辐照的部分的边缘向要被辐照的部分的内部增加的辐 照梯度。