[发明专利]膜

说明书

公开了一种电解质膜，其包含：(i)纳米纤维的多孔团簇，其中该纳米纤维由非离子传导性杂环类聚合物组成，该杂环类聚合物包含碱性官能团，并且可溶于有机溶剂；和(ii)离子传导性聚合物，其是部分或完全氟化的磺酸聚合物；其中该多孔团簇基本上完全浸渍有离子传导性聚合物，和其中该电解质膜中的该多孔团簇的厚度分布在电解质膜的至少80％厚度。这样的膜可用于质子交换膜燃料电池或电解槽中。

发明领域

本发明涉及一种电解质膜和它在电化学装置中的用途，特别是它 在质子交换膜燃料电池中的用途。

发明背景

燃料电池是一种电化学电池，其包含被电解质隔开的两个电极。 将燃料例如氢气，醇如甲醇或乙醇，或者甲酸供给到阳极，并且将氧 化剂例如氧气或空气供给到阴极。在电极处发生电化学反应，并且将 燃料和氧化剂的化学能转化成电能和热。使用电催化剂来促进阳极处 燃料的电化学氧化和阴极处氧气的电化学还原。

燃料电池通常根据所用电解质的性质来分类。通常电解质是固体 聚合物膜，其中该膜是电子绝缘的，但是是离子传导性的。在质子交 换膜燃料电池(PEMFC)中，该膜是质子传导性的，并且在阳极处产生 的质子跨过膜传输到阴极，在那里它们与氧合并来形成水。

PEMFC的主要部件是膜电极组件(MEA)，其基本上由五层构成。 中心层是聚合物离子传导性膜。在离子传导性膜的任一侧上存在着电 催化剂层，其含有设计用于具体的电解反应的电催化剂。最后，与每 个电催化剂层相邻的是气体扩散层，其是多孔的和导电的，并且允许 反应物达到电催化剂层和传导电化学反应产生的电流。

PEMFC中所用的常规的离子传导性膜通常由磺化的全氟化的聚 合物材料(经常统称为全氟化的磺酸(PFSA)离聚物)形成。作为PFSA 型离聚物的替代，可以使用基于部分氟化的或非氟化的烃磺化的或膦 酸化的聚合物的离子传导性膜。PEMFC中的最新发展要求膜更薄 (50μm)和离子交换能力(IEC)更高或当量(EW)更低，这是由于所获得 的优点(改进的离子传导性、改进的水传输等)，和因此为了提供增加 抵抗过早失效所需的机械性能，在膜内嵌入增强物，典型地是发泡聚 四氟乙烯(ePTFE)。

虽然与相同厚度的未增强的膜相比，这样增强的膜经常具有较低 的质子传导率，但是机械性能的改进使得能够使用较低电阻的较薄的 膜。

还已经提出了其他类型的增强剂，如WO2011/149732中公开的。

发明内容

虽然增强的膜例如上文所述的那些允许使用较薄的膜，同时保持 机械强度，但是仍然存在着不足。具体地，在实际操作中可以看到局 限，其中湿度条件会在短时间内从相当高的水平(例如在冷条件启动) 到相当干燥的水平(在最大额定功率密度操作)发生相当显著的变化， 其中膜会降解到比可接受更高的水平。在设计来模拟和加速这种操作 的加速应力测试中，湿/干循环加速应力测试引起膜的溶胀/消胀，以 使得可以更快速地观察到这些膜降解效应。

本发明的一个目标是提供一种改进的电解质膜，其适用于 PEMFC和PEM电解槽。

本发明提供一种电解质膜，其包含：

(i)纳米纤维的多孔团簇(mat)，其中该纳米纤维由非离子传导性杂 环类聚合物组成，该杂环类聚合物包含碱性官能团，并且可溶于有机 溶剂；和

(ii)离子传导性聚合物，其是部分或完全氟化的磺酸聚合物；

其中该多孔团簇基本上完全浸渍有离子传导性聚合物，和其中该 电解质膜中的该多孔团簇的厚度分布在该电解质膜的至少80％厚度。

附图说明

图1：本发明的电解质膜的示意图。

图2：实施例的电纺聚苯并咪唑(PBI)纳米纤维团簇和纤维尺寸分 布的SEM图像。