[发明专利]用于燃料电池的增强复合膜和包括该增强复合膜的膜电极组件

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的增强复合膜和一种包括所述增强复合膜的用于燃料电池的膜电极组件，由于离子导体浸渍均匀性和浸渍率的增加，其呈现改良的质子(氢离子)电导率。

背景技术

燃料电池是一种直接将由燃料氧化产生的化学能转换成电能的电池，由于高能效和较少污染物排放的生态友好性而作为下一代能源备受关注。此种燃料电池一般具有电解质膜设于阳极和阴极之间的结构。

用于汽车的燃料电池的典型实例包括采用质子(氢气)作为燃料的质子交换膜燃料电池。用于质子交换膜燃料电池的电解质膜应基本具有较高的质子电导率，因为它充当使阳极产生的氢离子(质子)运送到阴极的通道。此外，所述电解质膜应满足诸如具有隔离供给阳极的氢气和供给阴极的氧气的优越性能、优良的机械强度、机械强度、形状稳定性和耐化学性等，以及高电流密度时的低阻抗损耗的要求。尤其，用于汽车的燃料电池应具有优良的耐热性，以在高温下长时间使用时防止电解质膜破裂。

作为用于燃料电池的常用电解质膜，全氟磺酸树脂是一种氟类树脂(下文中称为‘全氟磺酸树脂’)。然而，全氟磺酸树脂具有低机械强度的问题，长时间使用时产生针孔，这样降低了能量转换效率。为增强机械强度，使用增加了膜厚度的全氟磺酸树脂。在这种情况下，产生诸如由于使用昂贵材料而导致的阻抗损耗增加和经济效益降低的问题。

为解决这些问题和克服现有电解质膜的缺陷，提出一种增强复合膜。增强复合膜包括作为电解质的离子导体和克服单一电解质膜缺陷的多孔支撑体，如尺寸稳定性、耐久性和机械强度。包含增强复合膜的典型产品包括(由GORE-TEX公司生产)。所述增强复合膜通过将多孔聚四氟乙烯树脂与氟类离子导体结合改善机械强度。然而，为了使燃料电池商业化，氟类离子导体和氟类多孔支撑体的使用不利地带来需要降价的低竞争性。

相应地，开发了作为高成本氟类离子导体替代物的低成本烃类离子导体，但不利地烃类离子导体不能应用于氟类多孔支撑体。

需要适合于烃类离子导体的烃类多孔支撑体，更具体地，需要可用作与氟类离子导体及烃类离子导体复合物的多孔支撑体。此外，增强复合膜作为膜电极组件用于燃料电池，其电极连接到具有高尺寸稳定性的增强复合膜的两面。相应地，为防止由电极和增强复合膜之间连接处的接触瑕疵导致的燃料电池性能和耐久性的恶化，需要具有优良尺寸稳定性的增强复合膜。

发明内容

技术问题

因此，本发明基于上述问题提出，本发明的一个目的是提供一种用于燃料电池的增强复合膜，其由于离子导体浸渍均匀性和浸渍率的增加，而呈现改良的质子(氢离子)电导率。

本发明的另一个目的是提供一种用于燃料电池的包括改善燃料电池性能的增强复合膜的膜电极组件和包括所述膜电极组件的燃料电池。

技术方案

根据本发明，上述和其他目的可通过提供用于燃料电池的增强复合膜来实现，所述增强复合膜包括多孔支撑体，所述多孔支撑体包括三维不规则且不连续布局的聚合物纳米纤维和第一离子导体；和填充在所述多孔支撑体气孔内的第二离子导体，其中，所述第一离子导体以纳米纤维形式存在于所述多孔支撑体中，或者，存在于所述聚合物纳米纤维中而与所述聚合物一起形成所述纳米纤维。

所述第一离子导体可为具有2.5mmol/g离子交换容量的烃类聚合物。

所述第一离子导体可选自以磺化聚芳醚砜、磺化聚醚醚酮、磺化聚砜、磺化苯乙烯-丁二烯和其混合物组成的组。

所述第一离子导体可与所述第二离子导体相同。

所述第一离子导体占所述多孔支撑体总重量的5％-50％。

所述多孔支撑体可包括不溶于有机溶剂的烃类聚合物。

所述多孔支撑体可包括聚酰亚胺。

所述多孔支撑体可具有50％-90％的孔隙度。

所述第二离子导体可为溶于有机溶剂的烃类聚合物。

所述第二离子导体可选自以磺化聚酰亚胺、磺化聚芳醚砜、磺化聚醚醚酮、磺化聚苯并咪唑、磺化聚砜、磺化聚苯乙烯、聚磷腈和其混合物组成的组。

所述第二离子导体占所述增强复合膜总重量的50％-99％。