专利名称：用于燃料电池的膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及膜及其在用于燃料电池的电极组合件(MEA)中的用途。
背景技术：
燃料电池是将燃料及氧化剂转化为电能的装置。电化学电池通常包括被电解质所分开的阳极电极和阴极电极。电化学电池一种众所周知的用途是用于使用质子交换膜(此后称之为“PEM”)作为电解质的燃料电池的组件(stack)中。在这种电池中，将反应剂或还原性燃料(例如氢)提供给阳极电极，而将氧化剂(例如氧或空气)提供给阴极电极。所述氢在阳极电极表面处起电化学反应，产生氢离子和电子。电子被导向外置的电路然后返回至阴极电极，而氢离子则经电解质迁移至阴极电极，并在此处与氧化剂复合，产生水并释放热能。
大多数效率高的燃料电池使用纯氢作为燃料，氧作为氧化剂。但遗憾的是纯氢的使用具有众多已知的缺点，其中至少是成本较高，以及储存方面的考虑。因此人们已尝试各种使用除了纯氢以外的燃料来驱动燃料电池的方法。
例如，人们尝试采用从蒸汽转化甲醇中获得的富氢气体混合物作为燃料电池进料。甲醇燃料电池对于交通工具和其它低等至中等动力应用方面(如不间断动力供应和割草机以及军事和商业领域)而言是一种具有吸引力的潜在电源。源自使用甲醇燃料电池作为电源的各种好处包括显著降低了空气污染物的排放；由于甲醇可从当地各种燃料(如煤和天然气)和可再生资源(如木材和生物质)中得到，因而减少了国家对进口石油的依赖；以及整体提高交通工具的能量效率。
目前开发中的甲醇燃料电池系统使用低温蒸汽转化装置与燃料电池组件结合，在间接系统中从甲醇产生动力。“间接”指的是甲醇燃料在导入到燃料电池组件之前先进行处理(通过转化装置)。但如果甲醇能够在低极化下直接得到阳极氧化，则该系统可得到大为简化，并且整体系统的热效率将得以改进。对于交通方面的各种应用而言也优选直接的甲醇燃料电池，其原因是与更复杂的间接系统相比，其重量、体积、起动和载重后各项特性应更具诱惑力。
直接甲醇PEMFC(DMPEMFC)的一个缺陷是目前可得的PEM电解质并未完全排除甲醇。取而代之的是甲醇从PEMFC的阳极室穿过膜进入到阴极催化剂内，并与反应剂即空气(O2)进行反应，造成甲醇燃料的附加损失及燃料电池电压的降低。在采用直接甲醇进料的PEMFC的阴极处可观察到，在给定电流密度下其性能损失40-70mV(Potje-Kamloth等，摘要105号，Extended Abstracts，卷92-2，电化学协会秋季会议，1992)。最近，Küver等在J.Power Sources 52，77(1994)观察到，当以气体进料的DMPEMFC的形式运行时，空气(O2)的电极损失至少100mV。与不采用直接甲醇进料运行的电池相比，该损失折算成空气(O2)阴极性能输出的减少约为10％。为了弥补由于甲醇穿越(crossover)而造成的低效率，必须加大DMPEMFC的尺寸，其结果使燃料电池更庞大、更重和更昂贵。为了提高竞争力，这些参数均须最小化。
本发明概要本发明提供了一种直接甲醇燃料电池，所述燃料电池包含(a)离子交换率(IXR)至少为约17的固体氟化聚合物电解质膜，其中所述固体聚合物电解质膜具有第一表面和第二表面；和(b)所述固体聚合物电解质膜的第一和第二表面的每一个之上存在至少一个催化剂层；其中所述燃料电池在低于60℃的温度下运行；甲醇穿越率减少至少约20％；与包含相同厚度并且离子交换率(IXR)为约15的固体氟化聚合物电解质膜的燃料电池相比，其功率输出相同或增加最高可达约15％。通常所述氟化聚合物为由E.I.DuPont de Nemours andCompany以Nafion的商品名销售的全氟磺酸聚合物。
在该实施方案中，本发明还提供一种直接甲醇燃料电池，其中其IXR优选为约17至约29，更优选为19至约23。
附图简述
图1为单电池组件的图解示意图。
图2为标准DMFC实验站的图解示意图。
图3为采用离子交换率为23和15的膜并在28℃的温度下运行的DMFC的性能曲线图。
图4为采用离子交换率为23和15的膜并在60℃的温度下运行的DMFC的性能曲线图。
发明详述我们发现，与具有相同厚度的膜并包含至少约15的离子交换率(IXR)的全氟聚合物的燃料电池相比，在低于60℃、优选低于55℃、更优选低于50℃、仍更优选低于40℃、最优选在20-40℃的运行温度下，通过采用包含离子交换率(IXR)至少为约17、更优选为约17至约29的全氟聚合物的离子交换膜能够显著改进直接甲醇燃料电池的效率。甲醇的穿越得以减少而功率输出并未降低。我们发现，在低于60℃的温度下，功率输出相同或增加至最高可达15％、优选增加至少约5％、更优选增加约10％至15％。甲醇穿越率降低至少约20％、优选降低至少约40％、更优选降低50％至约75％。甲醇的穿越取决于厚度。膜的厚度优选为约75μ至约250μ、更优选为约125μ至约250μ。对厚度约为250μ和IXR为23(即当量(EW)为1500)的膜而言，甲醇穿越可降低约75％。对厚度约为177.8μ的类似膜而言，甲醇穿越可降低约60％。
膜IXR为约17至约29的固体氟化聚合物电解质膜包含一种优选为高度氟化的离子交换聚合物的离子交换聚合物。“高度氟化”指的是聚合物中至少90％的所有一价原子均为氟原子。最优选聚合物被全氟化。还优选用于燃料电池中的聚合物具有磺酸根离子交换基团。术语“磺酸根离子交换基团”是指磺酸基团或磺酸基团的盐，优选为碱金属盐或铵盐。当聚合物在燃料电池中用于质子交换时，优选磺酸形式的聚合物。使用时，如果电催化剂涂料组合物中的聚合物不是磺酸的形式，则在使用前需要进行后处理酸交换步骤以便将聚合物转化为酸的形式。
通常所用的离子交换聚合物包含聚合物主链以及连接于主链上的重复侧链，所述侧链携带有离子交换基团。各种可能的聚合物包括均聚物或两种或多种单体的共聚物。通常由一种为非官能的单体并且为聚合物主链提供碳原子的单体形成共聚物。第二种单体为聚合物主链提供碳原子并且也为侧链提供阳离子交换基团或其前体，例如随后可水解为磺酸根离子交换基团的磺酰卤基团(如磺酰氟，-SO2F)。例如可以使用第一种氟化乙烯基单体与具有磺酰氟基团(-SO2F)的第二种氟化乙烯基单体的共聚物。各种可能的第一种单体包括四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯、氟乙烯、1，2-偏二氟乙烯、三氟乙烯、氯代三氟乙烯、全氟(烷基乙烯醚)，及其各种混合物。各种可能的第二种单体包括具有可提供聚合物中所需侧链的磺酸根离子交换基团或前体基团的各种氟化乙烯基醚。第一种单体还可以具有不影响磺酸根离子交换基团的离子交换功能的侧链。根据需要也可将其它单体结合到这些聚合物当中。
优选的聚合物包括高度氟化的、最优选全氟化的具有式-(O-CF2CFRf)a-O-CF2CFR’fSO3Y所示侧链的碳主链，其中Rf和R’f各自独立选自F、Cl或具有1-10个碳原子的全氟化烷基；a＝0、1或2；Y为H、碱金属或NH4。优选的聚合物包括例如在美国专利3,282,875和美国专利4,358,545及4,940,525中公开的那些聚合物。一种优选的聚合物包含全氟化碳主链和由式-O-CF2CF(CF3)-O-CF2CF2SO3H所示的侧链。这种类型的聚合物公开于美国专利3,282,875中，可如下制备使四氟乙烯(TFE)与全氟化的乙烯基醚CF2＝CF-O-CF2CF(CF3)-O-CF2CF2SO2F、全氟(3，6-二氧杂-4-甲基-7-辛烯磺酰氟)(PDMOF)进行共聚合，然后通过磺酰氟基团的水解转化为磺酸根基团并离子交换成酸，也即为公知的质子形式。一种公开于美国专利4,358,545和4,940,525中的优选聚合物具有-O-CF2CF2SO3H的侧链。通过使四氟乙烯(TFE)与全氟化的乙烯基醚CF2＝CF-O-CF2CF2SO2F、全氟(3-氧杂-4-戊烯磺酰氟)(POPF)进行共聚合，然后通过水解与酸交换可制备这种聚合物。
对上述全氟化类型的聚合物而言，聚合物的离子交换容量可以术语“离子交换率(IXR)”进行表述。离子交换率的定义为聚合物主链中相对于离子交换基团的碳原子数。聚合物的IXR值范围可以很宽。在低于约33的范围内，IXR可按照实际应用的需要进行变化。聚合物离子交换容量通常表述为术语“当量(EW)”。就本应用而言，当量(EW)定义为中和一当量氢氧化钠所需的酸性形式聚合物的重量。在磺酸盐聚合物的情况中，当聚合物具有全氟化碳主链和-O-CF2-CF(CF3)-O-CF2-SO3H(或其盐)的侧链时，对应于约17至约29的IXR的当量范围为约1200EW至约1800EW。相应于23的IXR，优选聚合物的EW为1500。该聚合物的IXR与当量可用等式50IXR+344＝EW进行关联。虽然美国专利号4,358,545和4,940,525中所公开的磺酸盐聚合物(例如具有-O-CF2CF2SO3H(或其盐)侧链的聚合物)使用相同的IXR范围，但由于含有阳离子交换基团的单体单元分子量较低，因此所述当量稍低。对优选的约17至约29的IXR范围而言，对应的当量范围为约1028EW至约1628EW。该聚合物的IXR与当量可用等式50IXR+178＝EW进行关联。
此外，所述膜还可由两种或多种聚合物的掺合物，例如由两种或多种具有不同离子交换基团和/或不同离子交换容量的高度氟化聚合物所制备。
所述膜的厚度可根据电化学电池应用的具体需要而变化。膜的厚度通常低于约150μm，优选在约25μm至约150μm的范围内。当所述膜为整体高IXR膜时，优选厚度不超过约100μm。
为了改进机械性能、降低成本和/或其它原因，所述膜任选包括多孔载体。膜的多孔载体可由各种组分所制备。本发明的多孔载体可由烃，例如聚烯烃(如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯)、这些材料的共聚物等所制得。也可采用各种全卤代的聚合物(例如聚氯三氟乙烯)制备。为防止出现热降解和化学降解，优选载体由高度氟化的聚合物、最优选由全氟化的聚合物所制得。
例如，用于多孔载体的聚合物可以是聚四氟乙烯(PTFE)的微孔膜或四氟乙烯与下式CF2＝CFCnF2n+1(n＝1 to 5)或 的共聚物，其中m＝0-15，n＝1-15。
微孔PTFE膜和薄片是公知适合用作载体层的材料。例如，美国专利3,664,915公开了空隙至少为40％的单轴拉伸膜。美国专利3,953,566、3,962,153和4,187,390公开了空隙至少为70％的多孔PTFE膜。
或者所述多孔载体也可以是由上述聚合物的纤维，采用各种组织如平纹组织、方平组织、纱罗组织或其它组织织造而成的织物。
通过将离子交换聚合物(优选阳离子交换聚合物)涂布在多孔载体上，使涂层位于载体外表面上以及经载体的内孔进行分布可制成膜。将多孔载体浸渍于具有阳离子交换聚合物或阳离子交换聚合物前体的溶液/分散体中可完成上述的涂布，其中溶液/分散体所用的溶剂在浸渍条件下对载体的聚合物无害，并且能够在载体上形成薄且均匀的阳离子交换聚合物的涂层。例如，为将全氟化的磺酸聚合物涂层施用于微孔PTFE载体上，可使用1-10％重量的聚合物水溶液/分散体与足够量的极性有机溶剂的混合物。将带有所述溶液/分散体的载体干燥后便形成所述膜。
其它增强形式的膜包括pTFE-纱嵌入型和pTFE-原纤分散型，如在2000年燃料电池讨论会(2000年10月30日-11月2日，波特兰，俄勒冈州，美国)摘要p-23中所公开的那样均匀分散于离子交换树脂中的类型。
虽然以上通式代表不同的聚合物，但不意味着它们限制本发明的范畴。
燃料电池如图1所示，燃料电池包含与气体扩散衬里(GDB)(13)结合形成松散的膜电极组件(MEA)的催化剂涂敷膜(CCM)(10)。所述催化剂涂敷膜(10)包含上述离子交换聚合物膜(11)和由电催化剂涂料组合物形成的催化剂层或电极(12)。
催化剂涂敷膜(CCM)已知有各种技术用于将与上述类似的电催化剂涂料组分施用于固体氟化聚合物电解质膜之上制造CCM。一些已知的方法包括喷涂、涂漆、贴涂(patch coating)和丝印、贴花印刷(decal printing)、轧印(padprinting)或胶印。
在本发明的一个实施方案中，在低于200℃、优选140-160℃的温度下通过使气体扩散衬里(GDB)与CCM进行热固结可制备MEA(30)。可将CCM做成本领域任何已知的形式。在本实施方案中，MEA包含固体聚合物电解质(SPE)膜和沉积于其上的薄催化剂粘合剂层。催化剂可在载体上(通常在碳上)，也可以不在载体上。在一种制备方法中，通过将催化剂油墨涂敷于平的剥离底物上做成如同贴花纸(decal)的催化剂薄膜，例如Kapton聚酰亚胺薄膜(可购自DuPontCompany)。油墨干后，通过施压和加热将贴花纸转移至SPE膜的表面，接着除去剥离底物，得到催化剂涂敷膜(CCM)，催化剂层具有可控的厚度及催化剂分布。或者将催化剂层通过例如印刷直接施用于膜上，然后在不超过200℃的温度下干燥催化剂薄膜。
然后将如此形成的CCM与GDB结合便得到本发明的MEA。通过敷设CCM和GDB，接着通过加热至不超过200℃的温度(优选为140-160℃)并施压在单一步骤中固结整体结构形成MEA。可以相同的方式并且同时形成MEA的两面。在膜的相反面上催化剂层和GDB的组成可以不同。
实施例CCM制备方法在含有80毫升1.0-1.25微米氧化锆研磨介质的Eiger砂磨机(Eiger Machinery Inc.制造，Grayslake，IL 60030)中制备阴极催化剂分散体。使105克铂黑催化剂粉(得自Colonial Metals，Elkton，MD)与336克3.5％重量的Nafion溶液(用于这种溶液的聚合物树脂通常为930EW聚合物，并且为磺酰氟的形式)混合并送入砂磨机中分散2小时。从砂磨机中卸出原料并测量粒度。试验油墨以确保粒度为1-2微米以下并且百分固含量范围为26％。在一块10厘米×10厘米的3密耳厚Kapton聚酰亚胺薄膜(由E.I.DuPont de Nemours & Co.，Wilmington，DE制造)上将催化剂油墨拉成5厘米×5厘米大小(总面积为25厘米2)得到催化剂贴花纸。5密耳(125微米)厚的湿涂层通常在最终的CCM中得到4-5毫克Pt/cm2的催化剂填充量。采用类似上述的方法，不同之处在于催化剂分散体，用原子比为1∶1的铂黑/钌黑催化剂粉(得自Johnson Mathey NJ)代替铂黑催化剂制备阳极贴花纸。通过贴花纸转移法制备CCM。采用一块H+形式的湿NafionN117膜(4”×4”)制备CCM。所述膜夹在两块阳极和阴极催化剂涂敷贴花纸之间。小心确保两块贴花纸的涂层彼此间对齐并放置在面向膜的位置。将整体组件置于液压机的两块8”×8”的预热(至145℃)板之间，然后马上将液压机的两块板合拢直至压力达到5000磅为止。压力下使层状结构组件保持大约2分钟，然后在相同压力下使液压机冷却大约2分钟(也即直至达到低于60℃的温度为止)。然后从液压机中取出组件，将Nafion薄膜缓慢地从膜的顶部剥除，结果显示催化剂涂层已转移至膜上。将CCM浸渍于一盆水中(以确保所述膜完全湿透)并小心转移至密封袋内用于储存及将来使用。
各种CCM的化学处理为了将催化剂层中的离子交联聚合物从-SO2F的形式转化为质子-SO3H的形式，需要对CCM进行化学处理。这需要进行水解处理，接着进行酸交换步骤。CCM的水解在80℃的20％重量氢氧化钠溶液中进行30分钟。将CCM置于DuPont制造的Teflon筛网之间并置于溶液中。搅拌溶液确保水解均匀。在水浴中30分钟后，取出CCM并用新鲜的去离子水彻底漂洗以去除所有的氢氧化钠。
已在前述步骤中水解过的CCM在浴温为65℃的15％重量硝酸溶液中进行45分钟的酸交换。搅拌溶液确保均匀酸交换。在含有15％重量硝酸溶液的第二个水浴中在65℃下再重复该步骤45分钟。
然后在室温下，在流动的去离子水中漂洗CCM 15分钟确保去除所有的残余酸，最后在65℃的水浴中漂洗30分钟。将其湿包装并加贴标签。CCM(10)包含Nafion全氟化离子交换膜(11)；由铂黑/钌黑催化剂所制备的电极(12)，在阳极侧面上有Nafion粘合剂，在阴极侧面上有铂黑催化剂和Nafion粘合剂。
实施例1在采用图1所示类型的膜电极组件(MEA)的电池中评价7密耳Nafion膜(IXR为23，1500EW)的燃料电池性能和甲醇穿越情况。将上述制备的催化剂涂敷膜(CCM)松散地附着于单电池金属构件(购自Fuel Cell Technologies，Los Alamos，NM)中，ELATTM碳布(购自E-Tek，Natick，MA)在铂黑-钌黑电极侧面(微孔层涂敷于单侧面并且面向催化剂层)和铂黑电极侧面(微孔层涂敷于双侧面并且厚层面向催化剂层)上。单电池金属构件的有效面积为25厘米2。将电池组件附着于燃料电池测试装置上。
采用以下步骤评价燃料电池的性能图1图示单电池组件。采用从Fuel Cell Technologies Inc，New Mexico获得的单电池测试组件进行燃料电池的实验测量。如图1所示，MEA(30)包括夹在两块GDB(13)板之间的CCM(10)(注意确保GDB覆盖CCM上的催化剂涂敷面)。阳极和阴极气体扩散衬里(13)为ELAT气体扩散衬里(购自E-Tek Inc.，Natick，MA)，在阳极GDB的情况中为微孔层涂敷的单侧面，对阴极侧面则为双侧面微孔层涂敷。微孔层朝向催化剂侧面安置。在CCM/GDB组件的两侧面上放置切割成覆盖CCM膜裸露面的玻璃纤维增强的硅胶垫圈(19)(Furan 1007型，得自Stockwell RubberCompany)，注意避免与GDB和垫圈材料重叠。将整体层状结构组件装配在25厘米2标准单电池组件(得自Fuel Cell Technologies Inc.，LosAlamos，NM)的阳极和阴极流场石墨板(21)之间。图1中所示的测试组件还装有阳极入口(14)、阳极出口(15)、阴极气体入口(16)、阴极气体出口(17)、铝引线端子(18)，与拉杆(图中未标出)、电绝缘层(20)和镀金集流体(22)连接在一起。单电池组件外板(图中未标出)上的螺栓用转矩扳手拧紧至1.5英尺磅。
然后将单电池组件连接至燃料电池实验站，如图2的简图所示意。实验站的各组成部分包括用作阴极气体的空气进料(41)；调节燃料电池功率输出的载荷箱(42)；盛装进料阳极电解溶液的MeOH溶液罐(43)；在MeOH溶液进入燃料电池之前将其预热的加热器(44)；将进料阳极电解溶液以所需的流速送至燃料电池的液体泵(45)；将电池流出的阳极电解液从电池温度冷却至室温的冷凝器(46)和收集废弃的阳极电解液的收集瓶(47)。阴极出口气体通常经气体分析仪(48)(VIA510型，Horiba Instruments Inc.，USA Horiba)以定量测定阴极处透过膜的甲醇氧化后所形成的CO2的量。
对室温下的电池而言，将1M的MeOH溶液和空气分别以5cc/分和500cc/分的速率经电池的入口(14)和(16)引入至阳极区和阴极区。使单电池的温度缓慢升高达到28℃为止。通常记录电流-电压极化曲线。这包括记录当电压从开路电压(OCV)开始，以50mV逐步下降至0.15V然后又上升至OCV时电池的电流输出。在每一步中使电压保持恒定20秒以便使电池的电流输出得以稳定。
使1M的甲醇水溶液通过阳极侧面，室温下的环境压力空气通过阴极侧面。将电池加热至28℃。通过从0伏至0.8V扫描电位，测量并记录度量燃料电池性能的流过电池的电流。电池的功率密度(W/cm2)是另一个性能度量，可由等式功率密度＝(电池电流密度×电池电压)计算得到。
采用由DuPont生产的NafionN117膜进行类似的测量作为参照物。相关数据示于图3中。
甲醇穿越测定借助于红外(IR)气体分析仪，通过测量离开阴极排气口的CO2测定甲醇的穿越或甲醇通过膜的渗透性。在阴极处的O2的存在下，转移通过膜的甲醇已全部氧化为CO2。采用非色散红外分析仪(VIA 510型，Horiba Instruments Inc.，USA)定量测量阴极出口气流中的CO2。使用上述相同的装置及实验条件测定甲醇的穿越。将如上测量的CO2体积百分数转化为等量穿越电流密度。本研究选择表1所示的7密耳和10密耳厚的膜。同时测量标准Nafion膜(N117)的CO2含量作为参照物。在表1中报道了本发明的膜相对于NafionN117的甲醇穿越数据。
实施例2重复实施例1，不同之处在于电池温度上升至38℃。数据示于表2中。
表2
实施例3在采用图1所示类型的膜电极组件(MEA)的电池中评价6.0密耳Nafion膜(IXR为23，1500EW)的燃料电池性能和甲醇穿越情况。将上述制备的催化剂涂敷膜(CCM)松散地附着于单电池金属构件(购自Fuel Cell Technologies，Los Alamos，NM)中，光滑的Zoltek碳布(购自Zoltek Corporation，St Louis，MO)面向铂黑-钌黑电极侧面，而ELATTM碳布(购自E-Tek，Natick，MA)(微孔层涂敷于单侧面并且面向催化剂层)在铂黑电极侧面上。将1M的MeOH(25cc/分)进料至阳极侧面，将3000cc/分的空气进料至阴极室内，电池在上述实验装置中加热至60℃。如实施例1中的详述记录性能，其结果示于图4中。与NafionN117膜相比，虽然所述膜(6密耳，IXR＝23，1500EW)减少了甲醇的穿越，但由于在60℃下膜电阻较高，因此其功率密度较差。
权利要求
1.一种直接甲醇燃料电池，所述燃料电池包含(a)离子交换率(IXR)至少为约17的固体氟化聚合物电解质膜，其中所述固体聚合物电解质膜具有第一表面和第二表面；和(b)所述固体聚合物电解质膜的第一和第二表面的每一个之上存在至少一个催化剂层；其中所述燃料电池在低于60℃的温度下运行；甲醇的穿越率减少至少约20％；与包含相同厚度并且离子交换率(IXR)为约15的固体氟化聚合物电解质膜的燃料电池相比，其功率输出相同或增加最高可达约15％。
2.权利要求1的直接甲醇燃料电池，其中IXR为17-29。
3.权利要求2的直接甲醇燃料电池，其中IXR为19-23。
4.权利要求3的直接甲醇燃料电池，其中IXR为23。
5.权利要求1的直接甲醇燃料电池，其中所述温度为约50℃至约55℃。
6.权利要求1的直接甲醇燃料电池，其中所述温度为约40℃至约50℃。
7.权利要求1的直接甲醇燃料电池，其中所述温度为约20℃至约40℃。
8.权利要求1的直接甲醇燃料电池，其中所述功率输出增加约5％至约15％。
9.权利要求8的直接甲醇燃料电池，其中所述功率输出增加约10％至约15％。
10.权利要求1的直接甲醇燃料电池，其中所述膜的厚度为175μ，IXR为23，甲醇穿越率降低60％。
11.权利要求1的直接甲醇燃料电池，其中所述膜的厚度为250μ，IXR为23，甲醇穿越率降低75％。
12.权利要求1的直接甲醇燃料电池，其中所述固体氟化聚合物电解质膜为全氟化聚合物。
13.权利要求12的直接甲醇燃料电池，其中所述全氟化聚合物包含碳主链和至少一个由式-(OCF2CFRf)a-O-CF2CFR’fSO3Y所示的侧链，其中Rf和R’f各自独立选自F、Cl或具有1-10个碳原子的全氟化烷基，a＝0、1或2，和Y为H、碱金属或NH4。
14.权利要求12的直接甲醇燃料电池，其中所述全氟化聚合物包含碳主链和至少一个由式-O-CF2CF2SO3H或其盐所示的侧链。
15.权利要求13的直接甲醇燃料电池，其中所述聚合物的IXR为约17至约29。
16.权利要求14的直接甲醇燃料电池，其中所述聚合物的IXR为约17至约29。
17.权利要求15的直接甲醇燃料电池，其中所述聚合物的IXR为约23。
全文摘要
本发明提供一种直接甲醇燃料电池，所述燃料电池包含(a)离子交换率(IXR)至少为约17的固体氟化聚合物电解质膜，其中所述固体聚合物电解质膜具有第一表面和第二表面；和(b)所述固体聚合物电解质膜的第一和第二表面的每一个之上存在至少一个催化剂层；其中所述燃料电池在低于60℃的温度下运行；甲醇的穿越率减少至少约20％；与包含相同厚度并且离子交换率(IXR)为约15的固体氟化聚合物电解质膜的燃料电池相比，其功率输出相同或增加最高可达约15％。
文档编号H01M8/10GK1689187SQ03821814
公开日2005年10月26日 申请日期2003年9月12日 优先权日2002年9月13日
发明者R·G·拉金德兰 申请人:纳幕尔杜邦公司