[发明专利]燃料电池电解质膜制造方法及通过其制造的电解质膜

说明书

本申请公开了一种用于燃料电池的电解质膜的制造方法。该方法包括制备包括形成质子移动通道的一种或多种离子导电聚合物的电解质层，和使气体从电解质层的第一表面渗透至电解质层的第二表面。

发明领域

本发明涉及用于燃料电池的电解质膜的制造方法以及通过该方法制造的电解质膜。电解质膜可以具有重新排列(realigned)的离子移动通道。

背景技术

大体上，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)已经用于车辆中。聚合物电解质膜燃料电池应当稳定地在很宽的电流密度范围内工作，以正常施加至少数十kW或更大的高功率。

燃料电池产生电的反应在包括基于离聚物的膜和一对电极(阳极和阴极)的膜电极组件(MEA)中发生。提供至作为燃料电池氧化电极的阳极的氢裂分成质子和电子，然后质子和电子分别通过电解质膜和外部电路移动至还原电极(阴极)。然后，在阴极处，氧分子、质子和电子一起反应，产生电和热，同时，产生作为副产物的水(H₂O)。燃料电池中电化学反应过程中产生的水在适量存在时，有利地发挥保持膜电极组件湿度的功能。但是，产生的过量的水除非适当除去，否则在高电流密度下发生溢流(flooding)。溢流的水干扰反应气体向燃料电池中的高效供应，从而导致严重的电压损失。在燃料电池的电化学反应中，当阳极处的质子通过膜移动至阴极时，它们与水分子结合成水合氢离子例如H₃O⁺的形式，并拖曳(drag)水分子。这种现象被称作“电渗拖曳(EOD)”。此外，随着阴极中积累的水的量增加，部分水从阴极逆向移动至阳极。这被称作“反向扩散”(BD)。因此，为了在燃料电池中获得优异的电池性能，水、质子等的移动应当高效。

该背景技术部分公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此，其可以含有不构成在该国家中本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。

发明内容

在优选的方面，本发明提供一种具有重新排列的离子移动通道的电解质膜。例如，电解质膜中离子的移动通过离子移动通道的重新排列可得到促进。

一方面，提供一种用于燃料电池的电解质膜的制造方法。该方法可以包括以下步骤：制备包括形成质子移动通道的一种或多种离子导电聚合物的电解质层，和使气体从电解质层的第一表面渗透至第二表面。优选地，质子移动通道的迂曲度(tortuosity)可以通过使气体渗透而降低。

如本文所用，术语“离子导电聚合物”是指可以通过官能团(例如含有离子特性)转移离子(例如，阳离子或阴离子)的高分子化合物或树脂。优选的离子导电聚合物可以在聚合物结构的侧基上包括至少一个或多个带正电(阳离子型)或带负电(阴离子型)的官能团。在某些实施方式中，示例性离子导电聚合物含有阴离子基团，其可以释放或给出电子，使得离子导电聚合物可以容纳或保持带正电的离子，例如质子。

如本文所用，术语“质子移动通道”是指质子可以容纳、被捕获或离子结合或流动的内部空间。优选的质子移动通道可以由排列成形成内部结构(例如，通道、腔洞或迷路)的阴离子基团例如磺酸基或羧酸基形成或围绕。

一种或多种离子导电聚合物可以是相同的或不同的。

优选地，一种或多种离子导电聚合物可以各自包括有包括聚四氟乙烯(PTFE)的主链和包括磺酸基(-SO₃H))的侧链。

电解质层的厚度可以适当地为约5-100μm。

电解质层可以适当地包括：第一层，其包括一种或多种离子导电聚合物；和第二层，其包括一种或多种离子导电聚合物和具有三维网络结构的载体(support)。第一层和第二层可以安置成彼此相邻，使得离子可在第一层和第二层之间移动。

载体可以适当地包括选自膨胀聚四氟乙烯(e-PTFE)和原子量为约3.5-7.5Mamu(百万原子质量单位)的多孔超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的一种或多种。