[发明专利]改善用于H2/空气燃料电池的PEM的耐久性的锡酸钠添加剂

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池应用的离子传导膜。

背景技术

燃料电池在很多应用中都用作电能来源。特别地，在机动车中燃料电池被意图用来替换内燃机。通常使用的燃料电池设计使用一种固体聚合物电解质(“SPE”)膜或者质子交换膜(“PEM”)来提供阴极和阳极之间的离子传输。

在质子交换膜型燃料电池中，将氢气供给阳极作为燃料，将氧气供给阴极作为氧化剂。氧气可以是纯态形式(O₂)或者是空气(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料电池通常具有一种膜电极组件(“MEA”)，其中固体聚合物膜在一侧具有阳极催化剂，在相对侧上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极和阴极层是由多孔传导材料形成的，例如织造石墨、石墨化片或者碳纸，以使燃料分散在该膜朝向燃料供给电极的表面上。各电极具有负载在碳颗粒上的细分的催化剂的颗粒(例如，铂颗粒)，以促进阳极处氢气的氧化和阴极处氧气的还原。质子从阳极通过离子传导聚合物膜流向阴极并在此与氧气结合生成水，水从电池中排出。典型地，离子传导聚合物膜包含全氟磺酸(PFSA)离聚物。

该MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，该多孔气体扩散层又夹在一对无孔电导元件或板之间。该板用作阳极和阴极的集流器，并包含形成在其中的合适的通道和开口，以用来在相应阳极和阴极催化剂的表面上分布燃料电池的气态反应物。为了有效发电，该PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、可传送质子的、非导电性的以及不透气体的。在一个典型应用中，燃料电池以很多单个燃料电池堆的阵列形式提供以提供高水平的电能。

离子传导聚合物膜退化的一种机理是通过在开路电压(OCV)下和在高温下的干燥操作条件下氟的损耗(即，氟的释放)。要求使用PFSA膜的添加剂以改善燃料电池的寿命、增加膜的耐久性以及减少这些条件下的氟的释放。

相应地，这就需要具有减少氟释放的离子传导膜。

发明内容

本发明通过提供用于燃料电池应用的离子传导膜的至少一个实施方式来解决现有技术中的一个或多个问题。该实施方式中的离子传导膜包含一种离子传导聚合物和一种以可减少膜中氟释放的足够量存在的至少部分分散于离子传导聚合物中的含锡化合物。同时，含锡化合物的加入有利地增加了膜的寿命同时减少了在95℃和50％相对湿度的开路条件操作下燃料电池中的电极电压退化。额外的优点包括相比于目前用于减轻PFSA燃料电池离子传导膜的添加剂降低了花费。

具体地说，本发明涉及以下方面：

1.一种用于燃料电池应用的离子传导膜，该离子传导膜包括：

一种离子传导聚合物；和

一种至少部分地分散于离子传导聚合物中的含锡化合物。

2.如第1项所述的离子传导膜，其中含锡化合物包括Sn(IV)。

3.如第1项所述的膜，其中该含锡化合物为锡酸盐；

4.如第2或3项所述的膜，其中锡酸盐为正锡酸盐。

5.如第4项所述的膜，其中锡酸盐用分子式I描述：

M_xSnO₄  I

M是阳离子；以及

X是能使M_x平衡SnO₄的电荷的数字。

6.如第5项所述的膜，其中M选自氢、钠、钾、钙和镁。

7.如第1项所述的膜，其中锡酸盐为偏锡酸盐。

8.如第7项所述的膜，其中锡酸盐以分子式II描述：

M_ySnO₃  II

M是阳离子；以及

y是能使M_y平衡SnO₃的电荷的数字。

9.如第1项所述的离子传导膜，其进一步包括一种含金属化合物，该含金属化合物包括选自Sn(IV)、Ce(III)、Ce(IV)、Mn(II)和Mn(IV)的金属。