[发明专利]用于使用在电化学电池中的电解质隔膜

说明书

技术领域

本公开涉及适合于使用在电化学电池中的电解质隔膜。此外，公开了一种用于制造隔膜的方法和包括所述隔膜的电化学电池的使用。

背景技术

能量的产生、存储和分配是现代社会和工业界的主要关注点之一。固体聚合物隔膜电解质的发展已经创建了对于来自能量收获应用的新类型的电功率生成和存储系统的机会，以平衡来自诸如太阳能和风力之类的间歇性能量源的峰值功率。这些包括电解器、燃料电池和液流电池组。而且，充当电解质的这些离子交换隔膜还使用在若干能量消耗电化学工业过程中，诸如氯碱生产和水淡化。

隔膜的角色是使得能够实现质子移动性并且最小化从阴极到阳极和反方向的反应物和反应产物交叉。离子通过形成在亲水共价结合的游离离子基团周围的水通道迁移。离子交换隔膜的形态学取决于骨干的化学和物理性质，而且还取决于固定离子交换基团的数目和类型。因此，所形成的水通道的结构变化。然而，它们典型地为几纳米宽并且通过隔膜渗透，从而使得能够实现离子输送。除了想要的反离子输运之外，这些水通道还使得能够实现同离子（Donnan平衡原理）和水可溶解的中性分子的输运。该交叉导致不想要的副反应，并且在一些应用中还违反、降低总体效率。因此，如果隔膜选择性可以通过抑制流体的输运而同时允许离子输运来增加，则电化学应用将受益。

利用氢或甲醇作为燃料的操作在60-100℃的温度处的低温燃料电池是其中利用质子传导隔膜的电化学应用之一。电化学反应的中心，即具有三维结构的混合电极被按压在隔膜电解质的两侧上，并且器件的性能高度取决于该隔膜电极组件（MEA）的性质。反应物和产物通过隔膜的交叉是降低燃料电池的总体性能的现象之一。当甲醇或氢燃料从阳极通过隔膜渗透到由氧馈送的阴极时，其容易在那里在高阴极电位下发生反应。这些不想要的副反应降低阴极电位，并且总体电池电压由于该过电压而降低。隔膜的降级和结果得到的性能损失是燃料电池所面对的另一问题，因为在氧还原反应期间形成的原子团可以攻击离子交换聚合物隔膜电解质。

已经建议了若干方案以克服燃料交叉问题，诸如将无机填充物合并到阳离子交换隔膜主体中，在多孔隔膜上沉积一个或若干金属层，或者使用包括多孔隔膜衬底与离子传导材料的相互渗透结构的复合固体聚合物电解质隔膜的使用。

一种方案是使用用于聚合物电解质隔膜的纹理化表面。纹理化可以通过若干不同的方法做出，诸如蚀刻或模制。

WO2004/001876 A2公开了一种对质子和氢可渗透的金属涂敷的聚合物电解质隔膜以及用于产生它的方法。金属涂敷的聚合物电解质隔膜可以用作液体类型燃料电池中的质子交换隔膜以防止燃料、气体和杂质交叉。聚合物电解质隔膜的表面被微结构化。其包括具有不平行于聚合物电解质隔膜的中心平面的表面的多个突起。该纹理化的表面通过在其上沉积金属膜而被涂敷，该金属膜优选地包括Pd、Pt、Nb、V、Fe、Ta或其合金。金属涂敷的聚合物电解质隔膜能够将质子和氢可渗透性维持在潮湿的环境中。

然而，仍旧存在对利用简单且高效的方式克服交叉问题的需要。而且，还期望具有长操作能力的耐久的电池构造。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种展现出明显减少的交叉的电解质隔膜。

另一目的是提供一种用于产生电解质隔膜的方法，该电解质隔膜提供减少的交叉并且具有长期稳定性和良好的耐久性。

本发明另外的目的是在电化学能量转换器件中集成提供减少的交叉的电解质隔膜。

在本公开中，描绘了一种电解质隔膜，其包括共价结合到电解质隔膜主体表面的至少一个无机金属氧化物薄膜。

将经纳米层压的隔膜电解质（即涂敷有纳米范围薄膜层的隔膜）集成到燃料电池中以在集成（即隔膜电解质组件（MEA）的制作和具有气体或液体燃料的电化学能量转换器件的操作）期间向隔膜提供耐久性。目前公开的隔膜构造显示出性能和耐久性二者中的改进。

本公开的新类型的功能结构应用于燃料电池中的能量转换以显著增加能量转换效率和/或耐久性。分子水平受控无机分层结构被合成在固有地不均匀的聚合物电解质隔膜主体的表面上以组合无机材料的屏障性质与离子交换隔膜电解质的灵活性和输运性质。该新颖的方案导致具有受控的输运性质和良好的机械耐久性的隔膜。

公开了用于以在各种离子交换隔膜电解质的表面上获得共价结合的高质量无机材料的方式合成不同的无机薄膜（即纳米层压体或经纳米层压的涂层）的条件。