[发明专利]用于改善燃料电池耐久性的添加到PFSA PEM中的Co(II)四甲氧基苯基卟啉添加剂

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池用途的离子传导膜。

背景技术

燃料电池在许多应用领域用作电源。特别建议在汽车中使用燃料电池代替内燃机。常用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)以提供阳极与阴极之间的离子传输。

在质子交换膜型燃料电池中，氢作为燃料供应给阳极，氧作为氧化剂供应给阴极。氧可以是纯氧(O₂)或空气形式(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料电池典型地具有膜电极组件(“MEA”)，其中固体聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，在相反面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极层和阴极层由多孔传导性材料，如编织石墨、石墨化片材或碳纸，形成以使燃料能够分散在朝向燃料供给电极的膜表面上。各电极具有负载在碳颗粒上的细碎催化剂颗粒(例如铂颗粒)以促进氢在阳极处的氧化和氧在阴极处的还原。质子从阳极穿过离子传导聚合物膜流向阴极，在此它们与氧结合形成水，水从电池中排出。典型地，所述离子传导聚合物膜包括全氟化的磺酸(PFSA)离子交联聚合物。

MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，这对GDL又夹在一对非多孔的导电元件或板之间。该板充当阳极和阴极的集流器，并含有在其中形成的用于将该燃料电池的气态反应物分配在各自的阳极催化剂和阴极催化剂表面上的适当的通道和开口。为了有效地产生电力，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、可传输质子的、不导电的和不透气的。在典型用途中，燃料电池以许多单个燃料电池堆的阵列形式提供以提供大量电力。

离子传导聚合物膜降解的一种机制是经由在升高的温度、在开路电压(OCV)和干操作条件下氟的损失(也即，氟化物排放)。添加到PFSA膜中的添加剂需要在这些条件下改善燃料电池寿命、增加膜耐久性和减少氟化物排放(fluoride emission)。

因此，需要具有减少的氟化物排放的、改善的离子传导膜。

发明内容

本发明通过在至少一个实施方案中提供燃料电池用途的离子传导膜来解决现有技术的一个或多个问题。该实施方案的离子传导膜包括离子传导聚合物和至少部分分散在所述离子传导聚合物中的含卟啉的化合物，其存在量足以减少从该膜的氟化物排放。而且，加入含卟啉的化合物有利地延长了膜寿命，同时减少了在95℃、50％相对湿度下在开路条件下操作的燃料电池中的电极电压下降。另外的益处包括和目前用于减轻PFSA-燃料电池离子传导膜的添加剂相比降低的成本。

本发明进一步体现在如下方面：

1、用于燃料电池用途的离子传导膜，所述离子传导膜包括：

离子传导聚合物；和

含卟啉的化合物。

2、方面1的离子传导膜，其中所述含卟啉的化合物包含具有式1的部分：

其中：

R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂各自独立地是氢、烷基、芳基。

3、方面2的离子传导膜，其中R₁、R₂、R₃、R₄各自独立是取代或未取代的烷基或苯基。

4、方面2的离子传导膜，其中R₁、R₂、R₃、R₄每个都是苯基甲氧基。

5、方面2的离子传导膜，其中R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂每个都是氢。

6、方面2的离子传导膜，其中所述含卟啉的化合物具有式2：

其中M是金属。