[发明专利]用于燃料电池的改进型质子交换膜层和相关应用

说明书

相关申请

本申请要求于2011年8月4日提交的美国临时专利申请No.61/515207的优先权，该申请以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本公开涉及燃料电池，尤其是质子交换膜燃料电池（PEMFC）。具体地说，本公开涉及改进型质子交换膜（PEM）。

发明背景

PEM（诸如聚合物电解质膜）用于在阳极与阴极之间运输质子。市售传统PEM一般由离聚物组成，通常是具有含氟聚合物主链加上携带可电离部分（如磺酸基）的侧接部的聚合物。存在许多变化形式和市售产品。市售PEM的熟知实例之一是NAFION。

典型地，基于含氟聚合物的PEM遭遇许多导致较短操作寿命和约80℃的较低操作温度的失败模式并且因此易于发生一氧化碳中毒现象。主要失败模式包括水管理问题（如溢流、干涸）、所产生热量的不良耗散、机械故障（如针孔或破裂）以及由浓差极化造成的电渗拖曳。

发明概要

描述了一种用于在PEM燃料电池或电解槽中运输质子的膜堆叠。在某些实施方案中，该膜堆叠包括第一聚合物层、第二聚合物层，并且描述了一种位于该第一聚合物层与该第二聚合物层之间的纳米结构碳材料层。

描述了一种形成用于运输质子的膜堆叠的方法。在某些实施方案中，该方法包括提供第一聚合物层；提供纳米结构碳材料层；以及提供第二聚合物层。在某些实施方案中，纳米结构碳材料层位于第一聚合物层与第二聚合物层之间。

在某些实施方案中，纳米结构碳材料层包括经过化学改性或嵌插有一种或多种酸、超强酸或其他质子导电性材料或涂布有一种或多种固体超强酸颗粒的多种纳米结构碳材料。

在某些实施方案中，第一聚合物层和第二聚合物层能够运输质子。

在某些实施方案中，纳米结构碳材料层包括碳纳米管。

在某些实施方案中，碳纳米管包括嵌插在被固定的碳纳米管之间的阴离子，其中相应质子是活动的。

在某些实施方案中，碳纳米管进一步包括嵌插在碳纳米管之间的反阴离子，其中反阴离子的活动性比质子小。

在某些实施方案中，嵌插有质子和反阴离子的碳纳米管是通过使碳纳米管暴露于一种或多种超强酸来制备。

在某些实施方案中，第一聚合物层、第二聚合物层、或第一和第二聚合物层两者包括离子导电性聚合物。

在某些实施方案中，离子导电性聚合物包括经衍生而具有离子导电性基团的含氟聚合物。

在某些实施方案中，离子导电性聚合物包括疏水区和亲水区。

在某些实施方案中，第一聚合物层或第二聚合物层、或第一和第二聚合物层两者包括包含可发生水合并且因此能够运输质子的孔隙的纳米多孔聚合物。

在某些实施方案中，孔隙的尺寸是约1到约100nm。

在某些实施方案中，纳米多孔聚合物可以包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯、聚苯乙烯磺酸、聚氯乙烯、聚碳酸酯、玻璃纤维膜、其共聚物或其组合。

在某些实施方案中，纳米结构碳材料包括碳纳米管、无定形纳米结构碳、富勒烯、纳米结构碳黑、富勒烯黑纳米相石墨或其组合。

在某些实施方案中，碳纳米管涂布有一种或多种固体超强酸颗粒。

在某些实施方案中，描述了包括本文所描述的膜堆叠的燃料电池。

在某些实施方案中，描述了包括本文所描述的膜堆叠的电解槽。

在某些实施方案中，该方法包括对纳米结构碳材料进行化学改性（如本文中所描述），以随后均匀地并且适形地涂布离子导电性聚合材料。

在某些实施方案中，用离子导电性聚合物（诸如NAFION）适形涂布化学改性碳纳米管材料可以通过化学气相沉积-聚合（CVD-P）方法来实现。（参见例如Gleason等人,Advanced Materials,第22卷,第1993-2027页,2010。）

在某些实施方案中，可以用惰性基体、编织物或非编织物（诸如聚合物或玻璃纤维膜或布）来加强化学改性碳纳米管的网状结构。

附图简述

参考以下图式描述本公开，这些图式是仅出于说明的目的而呈现并且不旨在具限制性。

图1示出了典型传统质子交换膜燃料电池（PEMFC）（100）的分解图

图2示出了一小束（210）单壁碳纳米管（SWCNT）（200）的截面示意图。使由个别SWCNT（200）形成的六方晶格在三角形空隙空间（220）中嵌插有一种或多种嵌插物质（240和/或250）。根据某些实施方案，嵌插过程可以扩大个别SWCNT（200）之间的间距；