[发明专利]离子传导膜

说明书

公开了离子传导膜，其包括：(i)第一离子传导层，其包含一种或多种第一离子传导聚合物；和(ii)隔离层，其包含石墨烯基小片。

本发明涉及新颖的离子传导膜，其适用于电化学装置，例如燃料电池。

燃料电池是电化学电池，其包括被电解质隔开的两个电极。将燃料例如氢或醇如甲醇或乙醇供给到阳极，将氧化剂例如氧或空气供给到阴极。电化学反应在电极处发生，并且将该燃料和氧化剂的化学能转化成电能和热。使用电催化剂来促进燃料在阳极处的电化学氧化和氧在阴极处的电化学还原。

在氢提供燃料或者醇提供燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，电解质是固体聚合物膜，其是电子绝缘的和质子传导的。在阳极处产生的质子沿着膜传输到阴极，在这里它们与氧结合形成水。最广泛使用的醇燃料是甲醇，并且PEMFC的这种变体经常被称作直接甲醇燃料电池(DMFC)。

氢提供燃料的PEMFC或者DMFC的主要部件被称作膜电极组件(MEA)，并且基本上包含五层。中心层是聚合物离子传导膜。在该离子交换膜的任一侧上，存在着电催化剂层，其含有设计用于特定电化学反应的电催化剂。最后，与每个电催化剂层相邻的是气体扩散层。该气体扩散层必须允许反应物达到电催化剂层和必须传导电化学反应所产生的电流。所以该气体扩散层必须是多孔的和导电的。

MEA可以通过几种方法来构建。电催化剂层可以施用到气体扩散层来形成气体扩散电极。两个气体扩散电极可以置于离子传导膜的任一侧上，并且该电极和膜层合在一起来形成五层MEA。可选地，该电催化剂层可以施用到离子传导膜的两面来形成催化剂涂覆的离子传导膜。随后，将气体扩散层施用到该催化剂涂覆的离子传导膜的两面。最后，MEA可以由一侧上涂覆有电催化剂层的离子传导膜，与该电催化剂层相邻的气体扩散层，和在该离子传导膜另一侧上的气体扩散电极形成。

典型地需要数十或数百个MEA来提供用于大多数应用的足够的功率，因此将多个MEA组装来制作燃料电池组。使用场流板(field flow plate)来分隔该MEA。该板发挥了几个作用：将反应物提供到MEA，除去产物，提供电连接和提供物理载体。

用于PEMFC和DMFC的常规离子传导膜通常由全氟磺酸(PFSA)离聚物形成，并且由这些离聚物形成的膜以如下商标名销售：(E.I.DuPont de Nemours and Co.)，(Asahi Kasei)，(Solvay)和(Asahi Glass KK)。这种PFSA基离子传导膜适于由这样的聚合物形成，其具有经由醚键连接到该聚合物主链上的侧链。下面显示了PFSA离聚物的典型结构。

PFSA离聚物的典型结构

该PFSA离子传导膜可以包含增强物来提供改进的机械性能例如增加的抗撕裂性和在水合和脱水时减小的尺寸变化。优选的增强物可以基于，但不局限于，含氟聚合物例如聚四氟乙烯(PTFE)的微多孔网或纤维，如US6,254,978、EP0814897和US6,110,330中所述，或者聚偏氟乙烯(PVDF)，或可选的材料例如PEEK或聚乙烯的微多孔网或纤维。