本发明专利技术公开了一种适用于燃料电池中的膜，其中所述膜包含：(a)中心区域，其包含离子传导性聚合材料；(b)边界区域，其在所述中心区域周围产生边框并由一种或多种非离子传导性材料构成，其中所述一种或多种非离子传导性材料中的至少一种材料形成层，其中所述边界区域的非离子传导性材料与所述中心区域的离子传导性聚合材料在重叠区域中重叠0~10mm。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种膜，尤其是一种适用于燃料电池中的膜。燃料电池是一种包含通过电解质隔开的两个电极的电化学电池。将诸如氢气或醇如甲醇或乙醇的燃料供应至正极并将诸如氧气或空气的氧化剂供应至负极。在电极处发生电化学反应，并将燃料和氧化剂的化学能转化成电能和热。使用电催化剂以促进燃料在正极处的电化学氧化和氧气在负极处的电化学还原。在质子交换膜(PEM)燃料电池中，电解质为固体聚合物膜。所述膜电绝缘但可传导离子。在所述PEM燃料电池中，所述膜可传导质子，且在正极处产生的质子穿过所述膜而传输到负极，在那里该质子与氧气化合以形成水。PEM燃料电池的主要组件称作膜电极组件(MEA)并基本由五个层构成。中心层是聚合的离子传导性膜。在离子传导性膜的任一侧上，存在电催化剂层，其含有设计用于特定电催化反应的电催化剂。最后，与各个电催化剂层相邻着，存在气体扩散层。所述气体扩散层必须使得反应物到达电催化剂层并必须传导电流，所述电流是通过电化学反应而产生的。因此，气体扩散层必须多孔并导电。常规地，以中心的聚合的离子传导性膜延伸至MEA边缘的方式构造MEA，同时气体扩散层和电催化剂层的面积小于所述膜的面积，使得仅在MEA外围的周围存在一个包含离子传导性膜的区域。不存在电催化剂的区域为非电化学活性区域。通常将典型地由非离子传导性聚合物形成的膜层布置在离子传导性膜露出表面上的MEA的边缘区域周围，以密封和/或补强所述MEA的边缘，其中在所述边缘区域中不存在电催化剂。在所述膜层的一个或两个表面上可存在胶粘剂层。因此，许多用于膜中的聚合的离子传导材料伸出电化学活性区域而进入非电化学活性区域，通常伸出超过至多几厘米。在小几何面积的MEA中，这种非电化学活性区域能够占整个MEA几何面积的多达50%。伸出所述电化学活性区域的膜对活性和性能没有帮助。所述聚合的离子传导性膜是燃料电池中最昂贵的组件之一，为了提高燃料电池的商业生存能力，需要降低这些燃料电池的成本。本专利技术的目的是提供一种更低成本的膜，尤其是用于燃料电池的膜，其相对于现有技术的膜适当具有更高的耐久性和尺寸稳定性。另外的目的是提供一种在并入MEA中时展示更高性能的膜。因此，本专利技术提供一种适用于燃料电池中的膜，其中所述膜包含:(a)中心区域，其包含离子传导性聚合材料；(b)边界区域，其在所述中心区域周围产生边框并由一种或多种非离子传导性材料构成，其中所述一种或多种非离子传导性材料中的至少一种材料形成层；其中所述边界区域的非离子传导性材料与所述中心区域的离子传导性聚合材料在重叠区域中重叠(TlOmm。所述中心区域包含一个或多个离子传导性聚合材料层并与在电化学电池中使用时的电化学活性区域相对应。当在中心区域中存在两个或更多个的层时，各个层可以为相同或不同的离子传导性聚合材料。合适的离子传导性聚合材料包括:可传导质子的聚合物或可传导阴离子的聚合物，例如可传导氢氧根阴离子的聚合物。合适的可传导质子的聚合物的实例包括全氟磺酸离子交联聚合物(PFSA)(例如NaflOH (E.1.DuPont de Nemours and C0.)、Aciple'4(Asahi Kasei)、Aquivion (SoIvay Solexis SpA)、 FleiHiOH* (Asahi Glass C0.)、Fumion F-系列(FuMA-Tech GmbH))、由烃类聚合物制成的离子交联聚合物(例如基于经聚亚芳基磺酸(FuMA-Tech GmbH)或磷酸浸溃的聚苯并咪唑的Funiion " P-系列)。合适的可传导阴离子的聚合物的实例包括由Tokuyama Corporation制造的A901和源自FuMA-Tech GmbH 的 Fumasep FAA。离子传导性聚合材料可含有增强剂，典型地整体嵌入离子传导性聚合材料中以提供更高的机械性能如更高的抗撕裂性和水合和脱水时下降的尺寸变化。所使用的增强剂的实例包括具有节点和原纤维结构的网、电纺网和非机织纤维网，所述具有节点和原纤维结构的网通常通过反相偏析和随后的拉伸而形成。优选的增强剂是基于但不仅仅基于以下物质:氟聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)的多孔网或纤维，如同在US6，254，978、EP0814897和US6, 110，330中所述的；或聚偏二氟乙烯(PVDF);或替代性材料如PEEK、聚乙烯或聚酰亚胺类纤维。边界区域由一种或多种非离子传导性材料构成，其中一种或多种非离子传导性材料中的至少一种材料形成层(或膜)。当存在非离子传导性材料的两个以上的层(或膜)时，各个层可以是相同或不同的非离子传导性材料。所述非离子传导性材料可以是选自热塑性、热固性或交联聚合物、橡胶、弹性体或热塑性弹性体中的聚合材料。可用于边界区域中的材料的具体实例包括:(i)烃类聚合物；(ii)氟碳聚合物；(iii)(天然或合成)橡胶，包括弹性体和热塑性弹性体(TPE) ；(iv)热固性塑料(通过热、化学反应、辐射如UV或电子束或其他辐射源、或湿度或通过聚合而交联/固化或聚合的(例如单体、低聚物的反应))。可使用的这种材料的具体实例对本领域技术人员是已知的。当在边界区域中存在非离子传导性材料的三个以上的层时，这些层中的一个或多个层可以为有助于所述层结合的胶粘剂层。所述胶粘剂层可选自:热塑性塑料或树脂(例如烃类聚合物、氟碳聚合物)；(天然或合成)橡胶，包括弹性体、热塑性弹性体(TPE);压敏胶粘剂、热熔胶粘剂；以及热固性物质(通过热、化学反应、辐射如UV或电子束或其他辐射源、或湿度或通过聚合而交联/固化或聚合的(例如单体、低聚物反应))。所述边界区域可还包含非离子传导性增强结构，例如具有节点和原纤维结构的聚合物网，其通常通过反相偏析和随后的拉伸而形成；或无机或聚合电纺网、非机织纤维网、机织纤维网或短切纤维或玻璃纤维；或微粒填料(例如炭黑或煅制氧化硅)。可将适应(或衬垫)层放置在边界区域的一个或两个平坦表面上。所述适应层是在经历负载或力时能够变形的层。所述变形优选不是永久的且当将负载或力移除时，所述适应层将返回其未变形状态。适应层的目的是将当向燃料电池的一部分施加力时将所述力在边界区域的表面与燃料电池板的表面之间传递；其还对边界区域与燃料电池板之间的空间或不均匀表面进行填充并防止在压缩时泄露。可将所述适应层应用到所述边界区域外表面的全部或一部分上。所述适应层可选自(天然或合成)橡胶，包括弹性体和热塑性弹性体(TPE)。可用于所述适应层的材料的具体实例包括:(i)(天然或合成)橡胶，包括弹性体、热塑性弹性体(TPE);和(ii)热塑性塑料或树脂。还可利用微粒填料(例如炭黑、煅制氧化硅)对适应层进行增强，所述微粒填料可调节适应层的硬度/弹性。适当地，边界区域的非离子传导性材料在重叠区域中与中心区域的离子传导性聚合材料重叠0 5mm,更适当地为0 2mm,更适当地为0 L5mm,优选CTlmm且最优选0mm(即不存在重叠，因此不存在重叠区域)。在一个实施方案中，边界区域与中心区域重叠的量在重叠区域的整个外周周围都相同。在替代实施方案中，边界区域与中心区域重叠的量在重叠区域的外周周围发生变化；例如，在某些点处，重叠可以为0_，而在其他点处，重叠多达10mm。特别地，在拐角区域处，所述重叠会本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：D·E·巴恩威尔，P·A·特鲁，T·R·拉尔夫，R·J·克莱曼，
申请(专利权)人：庄信万丰燃料电池有限公司，
类型：
国别省市：
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