[发明专利]膜电极组件的包含经等离子体处理的填料的电解质膜及其制造方法

说明书

本发明公开一种包含经等离子体处理的填料的膜电极组件的电解质膜及其制造方法。电解质膜包括具有膜形式的离聚物和分散在离聚物中并具有疏水表面的填料。

技术领域

本发明涉及一种膜电极组件的包括经等离子体处理的填料的电解质膜及其制造方法。

背景技术

构成质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电解质膜具有电绝缘性能，并且用于防止气体渗透和传导氢离子。

在实际的燃料电池运行环境中，部分发生通过电解质膜的气体渗透，且气体渗透的程度根据燃料电池的运行条件而变化。

影响气体渗透的工作条件包括燃料电池运行温度、湿度、气压和运行时间。电解质膜的降解机制归因于氢渗透产生的热量、过氧化氢的产生和由此产生的催化燃烧反应。过氧化氢最有可能通过氧气的渗透产生，从而导致在阳极侧产生催化燃烧反应。

在相关技术中，已经报道制造用于燃料电池的电解质膜的方法，更具体地，是制造用于燃料电池的PTFE电解质膜的方法。例如，通过用等离子体处理对由氟基聚四氟乙烯(PTFE)材料制成的支撑体的表面改性来促进导电离聚物的浸渍，并通过在支撑体的两侧形成每个导电离聚物层来改善物理性能。

通常，对此类用于燃料电池电解质膜的、由氟系PTFE材料制成的支撑体进行等离子体处理改性是通过确保由等离子体处理引起的亲水性来促进导电性离聚物浸渍的方法，且目的在于改进制造工艺。

此外，在相关技术中报道了另一种方法。例如，可以制备由Pt/C和PTFE的混合物组成的用于燃料电池的电极催化剂粉末，使混合物中的PTFE含量在6.9至8.0重量％的范围内，并且用于电极催化剂的粉末与Ir或Ir氧化物粉末以金属重量比组合，使得Pt:Ir＝90:20至10，并且膜电极组件由与Nafion分散体混合的浆料制成。

上述文献涉及通过利用用于PTFE支撑体的等离子体处理技术促进离聚体浸渍的制造方法。上述方法通过向阴极电极添加PTFE，防止由于湿化气体中的水分或反应水在氧电极中的冷凝而导致的供氧路径堵塞。

发明内容

在优选的方面，提供一种具有降低的气体渗透性的电解质膜及其制造方法。

在一个方面，提供一种适用于膜电极组件的电解质膜，该电解质膜包含：具有膜形式的离聚物；和包含疏水表面并与离聚物混合的填料。

在一个方面，膜电极组件的电解质膜可包括具有膜形式的离聚物和分散在离聚物中并具有疏水表面的填料。

如本文所用，术语“离聚物”是指聚合材料或树脂，其包含作为侧基附接(例如共价键合)到聚合物主链的离子化基团。优选地，此类离子化基团可被官能化以具有离子特性例如具有水分通道。

离聚物可适当地包括选在由以下项组成的组中的一种或多种：氟基聚合物、全氟磺酸基聚合物、苯并咪唑基聚合物、聚酰亚胺基聚合物、聚醚酰亚胺基聚合物、聚苯硫醚基聚合物、聚砜基聚合物、聚醚砜基聚合物、聚醚酮基聚合物、聚醚-醚酮基聚合物、聚苯基喹啉基聚合物和聚苯乙烯基聚合物。

离聚物可包括水分通道，该水分通道是存在于膜中的水分通过其移动的路径，并且填料可位于水分通道中。

离聚物可以包括用于移动氢离子的基质，并且填料可以位于基质中。

离聚物可包括选自由全氟磺酸(PFSA)离聚物、磺化聚芳醚砜(SPAES)离聚物和磺化聚醚醚酮(SPEEK)离聚物组成的组中的一种或多种。

填料可包括选自由聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯和聚丙烯组成的组中的一种或多种。

填料可以具有平均粒径(D50)为约20nm以下的颗粒形式。

以电解质膜的总重量计，电解质膜可以包括约5重量％至10重量％的量的填料。