[发明专利]离子导电膜

说明书

本发明涉及新的离子导电膜，其适用于电化学器件，例如燃料电池中。

燃料电池是电化学电池，其包括两个被电解质分隔的电极。将诸如氢或碳氢化合物(如甲醇或乙醇)的燃料提供给阳极，而将氧化剂(例如氧气或空气)提供给阴极。电化学反应在电极处发生并且燃料和氧化剂的化学能被转化为电能和热。电解质被用来促进阳极处燃料的电化学氧化以及阴极处氧的电化学还原。

在氢或碳氢化合物燃料质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，电解质是电绝缘和质子导电的固体聚合物膜。质子在阳极处产生，穿过膜传送到阴极，在那里与氧结合形成水。最广泛用于烃类的燃料为甲醇，并且PEMFC的该变体通常是指直接甲醇燃料电池(DMFC)。

PEMFC的主要部件被称为膜电极组件(MEA)且基本上由五层组成。中间层是聚合物离子导电膜。在离子导电膜的任一侧具有电催化剂层，其包含为特定电解反应而设计的电催化剂。最后，邻接每个电催化剂层都有气体扩散层。气体扩散层必须允许反应物到达电催化剂层并且必须传导电化学反应产生的电流。因此，气体扩散层必须是多孔的和导电的。

MEA可用多种方法构造。电催化剂层可被用于气体扩散层以形成气体扩散电极。两个气体扩散电极可被放置在离子导电膜的任一侧并且层压在一起以形成五层的MEA。供选择地，电催化剂层可被用到离子导电膜的两个表面以形成涂覆催化剂的离子导电膜。随后，气体扩散层被用到涂覆催化剂的离子导电膜的两个表面。最后，MEA可由一侧涂覆电催化剂层的离子导电膜，邻接电催化剂层的气体扩散层，以及在离子导电膜的另一侧的气体扩散电极形成。

典型的数十个或数百个MEA被要求为大多数应用提供足够的电力，因此多个MEA被组装以形成燃料电池堆。流场板(field flow plates)被用来分隔MEA。流场板执行多个功能：为MEA提供反应物，移出产物，提供电连接和提供物理支持。

用于PEMFC和DMFC中的传统的离子导电膜通常由全氟化磺酸(PFSA)离聚物形成，并且由这些离聚物形成的膜市售商品名为(E.I.DuPont de Nemours and Co.)，(Asahi Kasei)和(Asahi Glass KK)。这种基于PFSA的离子导电膜适于由具有侧链的聚合物形成，该侧链通过醚键连接到聚合物主链。PFSA离聚物的典型结构如下所示。

PFSA离聚物的典型结构

PFSA离子导电膜可包括增强部以提供改进的机械特性，例如增加的抗撕裂性以及减小因水化作用或脱水作用而产生的尺寸变化。优选的增强部可基于但不限于氟聚合物，例如US6254978、EP0814897以及US6110330所描述的聚四氟乙烯(PTFE)，或者是聚偏二氟乙烯(PVDF)，或者其他可选材料如PEEK或聚乙烯的微孔网或纤维。

由于PEMFC采用了非常薄的离聚物膜，很大程度上最小化了其离子阻力并由此最大化了燃料电池的性能，因此在一定程度上，反应气体H₂和O₂穿过膜(所谓气体穿透(cross over))的渗透通常是不可避免的。气体穿透以及随后的气体穿透的催化化学反应对膜寿命有着不利影响。受到广泛认同的是，过氧化氢(H₂O₂)和相关基团如过氧化氢基(HO₂·)和羟基(HO·)通过穿透气体在PEMFC电极的催化或非催化的碳表面上的反应而产生。这些氧化基类冲击膜的离聚物组分，导致断链、分解和官能团的丢失。O₂或H₂的气体穿透是膜化学降解的最基本的影响机制。这种化学降解(其可或不可与机械和热学降解结合)，导致膜变薄并且形成针孔，这又反过来进一步加速了气体穿透。这种降解的影响可以包括从单个电池的导电性的损失和随后的性能损失(中度化学降解的情形下)到最终堆栈的失效。反应气体穿透至对置电极可由于寄生反应导致电极去极化而进一步降低电池性能。最后，反应气体的穿透导致燃料电池电效率的直接损失，因为尽管反应物被消耗，但电功却没有被捕获。为了进一步改进PEMFC膜的功能性并降低材料成本，更薄的膜已成为近期燃料电池发展的焦点。该膜厚度的降低会导致气体穿透的直接增加，因此明显存在对减少气体穿透，并且特别是氢气从阳极到阴极的穿透，而不牺牲PEMFC的性能的需求。

在DMFC中，存在降低未反应甲醇通过MEA的固体聚合物膜从阳极到阴极的穿透，而不降低燃料电池的电效率或功率密度的需求。这需要提高燃料的效率，并且避免MEA的性能因为甲醇和甲醇在阴极产生的电氧化产物对阴极的损害而降低。