[发明专利]聚合电解质膜中的橡胶裂纹缓和剂

说明书

发明领域

在至少一个方面，本发明涉及具有改进的机械耐久性的用于燃料电池的质子交换膜。

发明背景在很多应用中燃料电池被用作电力能源。特别地，提出在汽车中使用燃料电池以替代内燃机。通常使用的燃料电池设计使用固态聚合物电解质（“SPE”）膜或质子交换膜（“PEM”）以在阳极和阴极之间提供离子传输。

在质子交换膜型燃料电池中，氢作为燃料供应至阳极，氧作为氧化剂供应至阴极。氧可以是纯氧（O₂）或空气（O₂和N₂的混合物）。PEM燃料电池通常具有膜电极组件（“MEA”），其中固体聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，在相反面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极和阴极层由多孔导电材料，如织造石墨（woven graphite）、石墨化片材或碳纸（carbon paper）形成以使燃料和氧化剂能够分散在分别面向燃料和氧化剂供给电极的膜的表面上。各电极具有负载在碳粒子上的细碎催化剂粒子（例如铂粒子）以促进氢在阳极处的氧化和氧在阴极处的还原。质子从阳极穿过离子导电聚合物膜流向阴极，在此它们与氧结合形成水，水从电池中排出。通常，该离子导电的聚合物膜包括全氟磺酸（PESA）离聚物。

MEA夹在一对多孔气体扩散层（“GDL”）之间，这对GDL又夹在一对导电元件或板之间。该板充当阳极和阴极的集流器（current collector），并含有在其中形成的用于将该燃料电池的气态反应物分配在各自的阳极和阴极催化剂表面上的适当的通道和开口。为了有效发电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄、化学稳定、可传输质子、不导电和不透气。在典型用途中，燃料电池以许多独立燃料电池组（fuel cell stack）的阵列（arrays）形式提供以提供大量电力。

MEA的一种制备方法包括通过在垫片框架中直接喷雾或涂覆而将电极墨沉积到PEM上。该电极能够形成在贴花纸上，然后转移到PEM上。可替代地，催化剂/离聚物墨能够涂覆在气体扩散介质（GDM）基体上，其称作涂覆催化剂的扩散介质（CCDM）。

电极墨通常包括在载体（例如碳载体）上的粉末催化剂和分散在混合溶剂中的离聚物溶液。混合溶剂通常以取决于催化剂类型的特定比例包含一种或多种有机溶剂（例如醇）和水。然后通过球磨均化该混合物达到约3天进行，然后涂覆到PEM、贴花纸基体或GDM上 。对于垫片涂覆，能够通过垫片的厚度控制催化剂负载量；对于Mayer绕线棒涂覆（Mayer wire-wound rod coating），能够通过线数（wire number）控制催化剂负载量。需要时，对于更高的催化剂负载量，能够施加多个涂层。在施加湿墨之后，将溶剂在烘箱中干燥以去除溶剂并形成电极。在涂覆催化剂/离聚物的贴花纸干燥之后，然后将催化剂/离聚物通过热压转移到PEM上以形成MEA。能够同时将阳极和阴极热压到PEM上。热压的压力和时间对于不同类型的MEA可以不同。

尽管目前在PEM燃料电池中使用的聚合物膜工作相当好，但这种膜容易发生裂纹扩展和机械损坏。

因此，需要新的减少燃料电池中的催化剂层中大裂纹（mud cracking）的方法。

发明概述

本发明通过提供用于燃料电池的膜电极组件而解决了现有技术的一个或多个问题。该膜电极组件包括阳极催化剂层、阴极催化剂层和离子传导膜。离子传导膜置于阳极催化剂层和阴极催化剂层之间。离子传导膜包括具有磺酸基团的离子传导聚合物和橡胶颗粒。该橡胶颗粒的特征为具有小于约600纳米的平均空间尺寸。

在另一实施方案中，提供了包括上述膜电极组件的燃料电池。该燃料电池包括具有阳极催化剂层、阴极催化剂层和离子传导膜的膜电极组件。离子传导膜置于阳极催化剂层和阴极催化剂层之间，且包括具有磺酸基团的离子传导聚合物和橡胶颗粒。该橡胶颗粒的特征为具有小于约600纳米的平均空间尺寸。第一气体扩散层位于阳极催化剂层上，第二气体扩散层位于阴极催化剂层上。燃料电池还包括位于第一气体扩散层上的阳极流场板和位于第二气体扩散层上的阴极流场板。

本发明还包括以下方面：

1. 用于燃料电池的膜电极组件，该膜电极组件包含：

阳极催化剂层；

阴极催化剂层；和

置于所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层之间的离子传导膜，该离子传导膜包含具有磺酸基团的离子传导聚合物和橡胶颗粒，该橡胶颗粒具有小于约600纳米的平均空间尺寸。

2. 方面1的膜电极组件，其中所述橡胶颗粒的量为所述离子传导膜总重量的约0.1-50wt%。