離子傳導(dǎo)膜的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了離子傳導(dǎo)膜，其包括：(i)第一離子傳導(dǎo)層，其包含一種或多種第一離子傳導(dǎo)聚合物；和(ii)隔離層，其包含石墨烯基小片。
【專利說(shuō)明】離子傳導(dǎo)膜
[0001] 本發(fā)明涉及新穎的離子傳導(dǎo)膜，其適用于電化學(xué)裝置，例如燃料電池。
[0002] 燃料電池是電化學(xué)電池，其包括被電解質(zhì)隔開(kāi)的兩個(gè)電極。將燃料例如氫或醇如 甲醇或乙醇供給到陽(yáng)極，將氧化劑例如氧或空氣供給到陰極。電化學(xué)反應(yīng)在電極處發(fā)生，并 且將該燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能和熱。使用電催化劑來(lái)促進(jìn)燃料在陽(yáng)極處的電化 學(xué)氧化和氧在陰極處的電化學(xué)還原。
[0003] 在氫提供燃料或者醇提供燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC)中，電解質(zhì)是固體 聚合物膜，其是電子絕緣的和質(zhì)子傳導(dǎo)的。在陽(yáng)極處產(chǎn)生的質(zhì)子沿著膜傳輸?shù)疥帢O，在這里 它們與氧結(jié)合形成水。最廣泛使用的醇燃料是甲醇，并且PEMFC的這種變體經(jīng)常被稱作直 接甲醇燃料電池（DMFC)。
[0004] 氫提供燃料的PEMFC或者DMFC的主要部件被稱作膜電極組件（MEA)，并且基本上 包含五層。中心層是聚合物離子傳導(dǎo)膜。在該離子交換膜的任一側(cè)上，存在著電催化劑層， 其含有設(shè)計(jì)用于特定電化學(xué)反應(yīng)的電催化劑。最后，與每個(gè)電催化劑層相鄰的是氣體擴(kuò)散 層。該氣體擴(kuò)散層必須允許反應(yīng)物達(dá)到電催化劑層和必須傳導(dǎo)電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流。 所以該氣體擴(kuò)散層必須是多孔的和導(dǎo)電的。
[0005] MEA可以通過(guò)幾種方法來(lái)構(gòu)建。電催化劑層可以施用到氣體擴(kuò)散層來(lái)形成氣體擴(kuò) 散電極。兩個(gè)氣體擴(kuò)散電極可以置于離子傳導(dǎo)膜的任一側(cè)上，并且該電極和膜層合在一起 來(lái)形成五層MEA?？蛇x地，該電催化劑層可以施用到離子傳導(dǎo)膜的兩面來(lái)形成催化劑涂覆的 離子傳導(dǎo)膜。隨后，將氣體擴(kuò)散層施用到該催化劑涂覆的離子傳導(dǎo)膜的兩面。最后，MEA可 以由一側(cè)上涂覆有電催化劑層的離子傳導(dǎo)膜，與該電催化劑層相鄰的氣體擴(kuò)散層，和在該 離子傳導(dǎo)膜另一側(cè)上的氣體擴(kuò)散電極形成。
[0006] 典型地需要數(shù)十或數(shù)百個(gè)MEA來(lái)提供用于大多數(shù)應(yīng)用的足夠的功率，因此將多個(gè) MEA組裝來(lái)制作燃料電池組。使用場(chǎng)流板（field flow plate)來(lái)分隔該MEA。該板發(fā)揮了 幾個(gè)作用：將反應(yīng)物提供到MEA，除去產(chǎn)物，提供電連接和提供物理載體。
[0007] 用于PEMFC和DMFC的常規(guī)離子傳導(dǎo)膜通常由全氟磺酸（PFSA)離聚物形成，并 且由這些離聚物形成的膜以如下商標(biāo)名銷售iMafion、155 (E.I. DuPont de Nemours and Co.)，Aciplex* (Asahi Kasei)，Aquivi〇n? (Solvay)和 Flemion? (Asahi Glass KK)。這種PFSA基離子傳導(dǎo)膜適于由這樣的聚合物形成，其具有經(jīng)由醚鍵連接到該聚合物 主鏈上的側(cè)鏈。下面顯示了 PFSA離聚物的典型結(jié)構(gòu)。
[0008]
【權(quán)利要求】
1. 離子傳導(dǎo)膜，其包括：（i)第一離子傳導(dǎo)層，其包含一種或多種第一離子傳導(dǎo)聚合 物；和（ii)隔離層，其包含石墨烯基小片。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子傳導(dǎo)膜，其中該隔離層是富含石墨烯的層，其中該層的 至少80%由該石墨稀基小片組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的離子傳導(dǎo)膜，其中該隔離層由該石墨烯基小片組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的離子傳導(dǎo)膜，其中該隔離層包含除該石墨烯基小片之外的第 二組分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的離子傳導(dǎo)膜，其中該第二組分選自水、含水電解質(zhì)或離聚物。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的離子傳導(dǎo)膜，其中該石墨烯基小片的x:y長(zhǎng)寬比 是0. 1-10, x:z長(zhǎng)寬比是至少10,和y:z長(zhǎng)寬比是至少10。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的離子傳導(dǎo)膜，其中該石墨烯基小片選自氧化石墨 烯、磺化的氧化石墨烯、硫化石墨烯、氫氧化石墨烯、石墨烯碳酸酯和氮化石墨烯。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的離子傳導(dǎo)膜，其中該石墨烯基小片是氧化石墨烯。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的離子傳導(dǎo)膜，其進(jìn)一步包括第二離子傳導(dǎo)層，該 層包含一種或多種第二離子傳導(dǎo)聚合物，其中該第二離子傳導(dǎo)層施用到該隔離層不與該第 一離子傳導(dǎo)層接觸的面上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的離子傳導(dǎo)膜，其中該隔離層的厚度是lnm-5 y m。
11. 催化劑涂覆的離子傳導(dǎo)膜，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的離子傳導(dǎo) 膜，和沉積在該離子傳導(dǎo)膜的至少一側(cè)上的電催化劑層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的催化劑涂覆的離子傳導(dǎo)膜，其中電催化劑層沉積在該離子 傳導(dǎo)膜的兩側(cè)上。
13. 膜電極組件，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的離子傳導(dǎo)膜。
14. 膜電極組件，其包括根據(jù)權(quán)利要求11和12中任一項(xiàng)所述的催化劑涂覆的離子傳導(dǎo) 膜。
【文檔編號(hào)】C08J5/22GK104428938SQ201380036378
【公開(kāi)日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2013年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月10日
【發(fā)明者】J·C·佛羅斯特, J·D·B·沙曼, N·M·佩爾摩格羅夫 申請(qǐng)人:莊信萬(wàn)豐燃料電池有限公司