具有受控的水管理/离子流动的膜电极组合件制造技术

膜电极组合件包括用于控制离子流动的栅极，膜材料的分离的层，和／或用于将液态或气态反应组分传递到至少一个电极和／或从至少一个电极传递液态或气态反应组分的离子非活性材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及电化学电池，并且特别地，涉及具有受控的水管理/离子流动的膜电极组合件。专利技术背景作为电解质用于电化学电池的许多离子型聚合物膜仅包括一种活性材料。非活性材料通常用作活性聚合物的台架和机械结构。一些这样的膜被层压，以在每个电极提供不同的性能。在所有情况下，在两个膜电极表面的每一个上的每个点的性能和材料相同。电化学电池中有效的水管理对于获得良好的性能来说是必须的。例如，在燃料电池中，性能主要依赖于在固体聚合物电解质(SPE)中的水合控制。在燃料电池操作期间，离子迁移通过SPE。当它们这样做时，它们本身携带水分子。这被称为电-渗透性拖动(electro-osmoticdrag)。例如在质子传导的、阳离子交换(CE)SPE中，此现象的净结果是阳极变得易干燥和阴极变得易发生水泛(flooding)。这通过降低SPE中离子传导的容易性和阻碍氧接近阴极，对燃料电池性能有不利影响。由于作为电化学反应的结果在阴极产生水，阴极水泛的问题被复合。在羟基离子传导的阴离子交换(AE)SPE中，情况相反，但问题相同：水在阳极产生并且在阴极使用，因此阳极易于水泛和阴极易于干燥。人们已经通过两种主要途径来尝试克服这些问题。首先，将燃料供给增湿，以帮助输送水到SPE膜的阳极侧，从而降低干燥。这要求相当的装置平衡，它增加了装置成本和降低了功率输出，同时引入阳极水泛的危险。其次，追求更薄的SPE膜，按照推测用来降低水必须从阴极迁移回阳极的距离。然而，电-渗透性拖动仍然通过此机理限制水平衡，同时导致具有更高燃料穿越的机械上更不稳定的SPE膜。-->由燃料电池产生的电压通常依赖于反应物的电化学电势，和使用的任何催化剂的效率。由电池产生的电流依赖于它的有效面积、膜的离子电阻和在催化剂-膜界面的燃料转移效率。功率输出是电压和电流的乘积，并且通常通过如下方式控制：节流或限制燃料到电池的流动速率，或给电池提供无限的燃料和控制(例如通过倾倒到电池)与要求相比的任何能量过剩。控制功率输出的这些方法是不希望的，主要是由于效率差的原因。WO03/023980公开了亲水性聚合物和它们在膜电极组合件(MEA)中的用途，该组合件可用于或用作燃料电池。专利技术概述本专利技术提供了一种手段，通过该手段可以控制水的产生和/或经过MEA的膜的离子流动。在本专利技术的第一方面，所述膜包括用于传递液态或气态反应组分到至少一个电极和/或从至少一个电极传递液态或气态反应组分的离子非活性材料。或者，所述膜包括阴离子交换材料和阳离子交换材料，并且这些材料由离子非活性材料分离。亲水性但非离子活性的材料的分布可控制电池中的水力学状况，尤其是产物水的再分布，以维持离聚物的有效操作和防止或降低催化剂电极结构的水泛，所述水泛是在基于Nafion(或其它低水含量、低透水性的膜)的固体聚合物燃料电池中共有的问题。在本专利技术的第二方面，所述膜包括本征离子活性的材料的片或层，例如呈一个或多个薄平面平行层形式的一种或多种阴离子交换材料和也呈一个或多个平面平行层形式的一种或多种阳离子材料，并且所述层状物离子接触和布置成使得离子从一个电极到另一个电极的流动穿过所述材料层之间的界面。一种体系(如CE)与阳极接触，而另一种材料(如AE)与阳极接触。在此情况下，主要的载流子是CE中的质子和AE中的OH离子。此布置意味着每个电极上的催化剂可以被独立地选择，一种在酸性环境中操作，而另一种在碱性环境中操作。此外，在氧气-氢气燃料电池的情况下，产物水将在复合膜的AE和CE元件之间-->的界面处产生，因此避免催化剂-电极结构的水泛问题。在本专利技术的另一方面，MEA包括一个或多个导电栅极。此方法涉及通过施加合适的电势差穿过至少一部分所述组合件来控制离子流动，非常不同于上述的节流和倾倒技术。它特别适于与内在亲水性的材料一起使用，该材料不会遇到与其它SPE技术相关的水合问题。MEA可以为呈层叠体的多个这样的组合件的形式。所述MEA或层叠体可以被结合到电池中。所述电池可以用作或用于燃料电池或其它电化学电池，如电解池或光生伏打电池。本专利技术提供了一种复合膜，该复合膜可以包括阳离子的和阴离子的和任选地还是亲水性的多种活性材料，和/或离子非活性和非亲水性的非活性材料。这些可以通过原位聚合从合适的前体形成，以形成固体聚合物复合电解质(SPCE)，或者所述前体可以单独聚合，以便包括在最终的膜中。SPCE在电化学电池中的使用可以提供离子通过离子活性相传导的途径。在燃料电池的情况下，电-渗透性拖动将在这里出现，如在常规的SPE材料中的情况。然而，没有通过材料的离子非活性相的离子输送。因此，在亲水性离子非活性相中，水通过这些相对高扩散性的通路从高浓度到低浓度自由迁移，从而在操作期间有助于保持水力学平衡。通过此相的水迁移将不会被电-渗透性拖动阻碍。AE和CE相两者在同一SPE中的使用提供了用于水合控制的另外的途径，而改变比例允许各种水产生/使用组合。通过不要求另外的装置平衡的途径，本专利技术允许在电化学电池的SPE中有效的水管理。例如，SPE中的水力学稳定性有助于保持燃料电池的效率。水力学稳定性还降低SPE中由于干燥和再水合导致的尺寸变化，据信该尺寸变化引起催化剂/SPE界面的分层，这是在采用常规SPE材料的燃料电池中观察到的另一个共有的故障模式。与本专利技术相关的另一个优点在于，它允许直接控制电池的电化学活性。特别地，本专利技术提供了一种方法，通过该方法可以直接控制燃料电池的电功输出。-->附图简要说明图1和2各是本专利技术的一个实施方案的示意性表示。图3和5各是体现本专利技术的电路的示意性表示。图4A-4C是在本专利技术的操作中获得的结果的图形表示。优选实施方案的描述本专利技术描述了一种新颖的复合材料，该复合材料提供了改进的水合保持。有三个主要的实施方案。第一个主要的实施方案引入了离子非活性材料，该离子非活性材料如果是亲水性的，提供了膜中水迁移的途径，它不被电-渗透性拖动所阻碍。在燃料电池中CE材料的情况下，这允许水从阴极反扩散回阳极。由于在阴极产生的一些过量水反向扩散通过离子非活性活性组分，降低了阳极的干燥。这有助于通过保持经过SPE的高离子传导而保持高效率。在燃料电池中AE材料的情况下，这允许从阳极到阴极的反扩散；实现了在CE材料时所实现的相同的益处。不要求另外的燃料增湿。由于离子非活性材料不是电化学活性的，在SPCE表面上的任何这样的区域不要求催化作用。可以加入非亲水性的离子非活性材料，以增加物理强度和尺寸稳定性，如果有益和/或需要。所述膜可以包含微孔性的、非亲水性的、离子活性的材料，用于通过毛细管作用传输水。第二种主要的实施方案在SPCE中利用AE和CE相的组合，以控制在阳极和阴极部位水的产生和使用。由于在燃料电池中，CE材料在阴极产生水，和AE材料在阴极使用水和在阳极产生水，使用不同比例的AE和CE材料允许对在阳极和阴极处水的产生进行控制。一种离子非活性相应当被用于分隔所述离子型相；这可以是亲水性的，以提高水扩散，或者可以是非亲水性的，以提供分离作用和附加的强度或尺寸稳定性。第三种主要的实施方案涉及栅极的使用。这可以被用于控制离子流动。这三种实施方案可以分开使用或一起使用，以提供用于水合控制和通过膜的离子流动的多方面的方法。-->本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
膜电极组合件，其包括由离子交换膜分隔的电极，并且其还包括控制离子经过所述膜的流动的装置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】GB 2004-7-27 0416724.3;GB 2004-6-16 0413514.1;GB 21.膜电极组合件，其包括由离子交换膜分隔的电极，并且其还包括控制离子经过所述膜的流动的装置。2.根据权利要求1的组合件，其中所述膜包括导电栅极作为所述装置。3.根据权利要求2的组合件，其中所述栅极用电阻性和/或离子阻抗性材料涂覆。4.根据权利要求2或权利要求3的组合件，与用于提供电势差经过至少一部分所述组合件的装置结合。5.膜电极组合件，其包括由至少两个离子型材料层分隔的电极，由此离子可以在电极之间和穿过相邻层的界面流动。6.根据权利要求5的组合件，其在每个电极包括不同的催化剂。7.膜电极组合件，其中所述膜包括用于将液态或气态反应组分传递到至少一个电极和/或从至少一个电极传递液态或气态反应组分的离子非活性材料。8.根据权利要求7的组合件，其中所述反应组分是水。9.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：DJ海伊盖特，JA劳埃德，S伯恩，RL史密斯，
申请(专利权)人：ITM燃料电池有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]