[发明专利]含聚乙烯基膦酸的组合物及其用途

说明书

本发明专利申请是2008年12月3日提交的国际申请号为PCT/US2008/013342、国家申请号为200880121194.3、发明名称为“高稳定燃料电池膜及其制造方法”、申请人为戈尔企业控股股份有限公司的中国专利申请的分案申请。 

发明领域

本发明涉及用于聚合物电解质膜燃料电池中的高稳定膜及其制造方法。 

发明背景

燃料电池是将含有燃料(如氢)和氧化物质(如氧或空气)的流体流转化成电、热和反应产物的装置。这种装置包括阳极，在阳极处提供燃料，包括阴极，在阴极处提供氧化物质，以及分隔阳极和阴极的电解质。如本文所用，术语“催化剂涂覆的膜”表示电解质和至少一个电极的组合。燃料和氧化剂通常是液体或气态材料。电解质是分隔燃料和氧化剂的电子绝缘体。电解质为离子提供离子通路从而在阳极到阴极之间移动，离子通过燃料反应在阳极产生，移动至阴极，在阴极处得到利用生成产物。在离子形成过程中产生的电子用于外部电路中，从而产生电。如本文所用，燃料电池可包括单电池，其只包括一个阳极、一个阴极以及插入其间的电解质，或者燃料电池可包括组装成栈的多电池。在后者的情况中，有多个独立的阳极和阴极区域，其中各阳极和阴极区域通过电解质分隔。这种栈中的独立的阳极和阴极区域各自提供有燃料和氧化剂，可以按任意的串联或并联的外部连接组合方式连接，从而提供功率。 

单电池中或燃料电池栈中的其他组分可任选包括在阳极和阴极上分配反应物的装置，包括但并不限于多孔气体扩散介质。还可使用用于禁止各种物质混合的多种密封材料。如本文所用，膜电极组合件(MEA)包括催化剂涂覆的膜以及这些气体扩散介质和密封材料。另外，还可能存在所谓双极板，即具有通道用以分配反应物的板。 

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)是一类其中的电解质为聚合物电解质的燃料电池。其他种类的燃料电池包括固体氧化物燃料电池(SOFC)，熔融碳酸盐燃料 电池(MCFC)，磷酸燃料电池(PAFC)等。对于使用流体反应物运行的任何电化学装置，在同时获得高性能和长运行时间方面存在独特的挑战。为了获得高性能，需要降低装置内各部件的电阻和离子阻抗。聚合物电解质膜的新进展使得能够显著提高PEMFC的功率密度。在其他许多方面已经获得稳步发展，包括降低Pt负载、延长膜寿命、在不同运行条件下获得高性能。但是仍然面临许多技术挑战。其中之一是要使膜电极组合件符合各种潜在应用的寿命要求。这些要求从便携应用的几百小时到汽车应用的5000小时或以上到固定应用的40000小时或以上。 

虽然燃料电池中的所有材料都会在运行过程中发生劣化，但是膜的完整性和完好性(health)是特别重要的。如果膜在燃料电池运行过程中劣化，则膜倾向于变得更薄，强度更差，从而更容易出现孔洞或发生撕破。如果发生这种情况，则氧化气体和燃料会在内部混合，可能导致内部反应。由于这种内部反应会最终导致整个系统损坏，所以必须关闭燃料电池。评估氟化膜的完好性的一种众所周知的措施是测量燃料电池产物水中的氟离子量。所谓氟释放速率的值较高，则表示膜受到的侵蚀较大，由此可知膜的耐用性较低。因此，较低的氟释放速率表示膜的完好性较高，寿命较长。 

本领域中众所周知，减小聚合物电解质膜的厚度能减小膜离子阻抗，从而增大燃料电池功率密度。但是，减小膜的物理厚度会增大其他装置部件造成的损坏可能性，导致电池寿命缩短。为了减轻这个问题已经开发了多种进步技术。例如，Bahar等人的美国专利第RE37307号、美国专利第RE37701号、美国专利申请第2004/0045814号和Hobson等人的美国专利第6613203号显示，用完全浸渍的微孔膜加强的聚合物电解质膜具有有利的机械性质。虽然这种措施成功地提高了电池性能并延长了寿命，但是它不能解决涉及燃料电池运行过程中高度氧化的物质对膜产生化学侵蚀的机理问题。这些机理问题包括，例如侵蚀离聚物并使其劣化的多种游离基物质，如过氧化物和氢氧化物游离基。因此，美国专利第RE37307号等中的机械加强措施对于延长寿命而言是必需但通常并不完全充分的条件。