[发明专利]具有改进的化学耐久性的膜-电极组件的电解质膜及其制造方法

说明书

一种具有改进的化学耐久性的膜‑电极组件的电解质膜及其制造方法，所述电解质膜包括组合物，所述组合物包括处于离子态的抗氧化剂和围绕抗氧化剂的第一离聚物。所述组合物分散于第二离聚物中，所述第二离聚物为聚合物基质。所述电解质膜的制造方法包括制备抗氧化剂溶液，混合所述抗氧化剂溶液和第一离聚物分散溶液，干燥混合物以生产具有抗氧化剂和围绕抗氧化剂的第一离聚物的组合物，将所述组合物引入至第二离聚物分散溶液中并且混合，以及将所述混合物施加到基底上并且干燥以制造电解质膜。

技术领域

本发明涉及具有改进的化学耐久性的膜-电极组件的电解质膜及其制造方法。

背景技术

用于车辆的聚合物电解质膜燃料电池是通过氢气和空气中的氧气之间的电化学反应产生电能的装置。聚合物电解质膜燃料电池被公认为是下一代环境友好的具有高发电效率和几乎没有废弃材料(除了水)的能源。

燃料电池的发电反应发生在膜-电极组件(MEA)中。MEA包括全氟磺酸离聚物基膜和包括阳极和阴极的一对电极。

提供给阳极(燃料电池的氧化电极)的氢气分裂成质子和电子。质子通过膜移动到还原电极(即阴极)，电子通过外部电路移动到阴极。在阴极，氧气分子、质子和电子一起反应，产生电能和热，并且同时产生作为副产物的水(H₂O)。

通常，氢气和氧气(燃料电池的反应气体)穿过电解质膜。同时，产生过氧化氢(HOOH)。过氧化氢产生含氧自由基，例如羟基自由基(·OH)和过氧化羟基自由基(·OOH)。这些自由基攻击全氟磺酸基电解质膜，导致该膜的化学降解，最终产生降低燃料电池的耐久性的不良影响。

作为减缓这种电解质膜的化学降解的常规技术，建议向电解质膜中添加各种抗氧化剂。

抗氧化剂的典型实例为铈基抗氧化剂。向电解质膜中添加氧化铈或三价或四价铈离子。铈离子作为抗氧化剂具有优异的性能，但是具有由于自扩散或电渗透现象而容易排出到电解质膜外部的缺点，这是由电解质膜中的水分或氢离子的运动造成的。

本背景部分公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景的理解。因此，背景部分可能包括不构成该国家的本领域技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明致力于解决与现有技术相关的上述问题。

本发明的主题为提供一种通过阻止处于离子态的抗氧化剂被排出到外部而具有改进的化学耐久性的膜-电极组件的电解质膜。本发明的主题也为提供一种膜-电极组件的电解质膜的制造方法。

然而，本发明所要实现的主题并不限于上述主题。从下文的描述中，本发明的主题将更加明显，并且将依靠所附权利要求书中指出的元件或组合来实现。

一方面，本发明提供了一种膜-电极组件的电解质膜。所述电解质膜包括组合物。所述组合物包括抗氧化剂和围绕抗氧化剂的第一离聚物，其中所述组合物分散于第二离聚物中。所述第二离聚物为聚合物基质。

在一个实施方案中，抗氧化剂可以处于离子态。

在另一个实施方案中，抗氧化剂可以为选自Ce³⁺、Ce⁴⁺、Mg²⁺、Mg³⁺和其组合的过渡金属离子。

在另一个实施方案中，第一离聚物可以为全氟磺酸(PFSA)。

在另一个实施方案中，第一离聚物的侧链和抗氧化剂可以彼此电化学吸引。

在另一个实施方案中，第二离聚物可以为全氟磺酸(PFSA)。

在另一个实施方案中，电解质膜可以包括离子通道。所述离子通道可以是质子移动通过的通道，并且所述组合物可以位于离子通道中。