聚合電解質膜的聚(甲基丙烯酸甲酯)添加劑的製作方法

2023-05-16 18:06:36 1

專利名稱：聚合電解質膜的聚(甲基丙烯酸甲酯)添加劑的製作方法
技術領域：
本公開大體上涉及的領域是聚合物電解質和燃料電池。背景
燃料電池在許多應用領域中用作電源。特別建議在汽車中使用燃料電池代替內燃機。常用的燃料電池設計使用固體聚合物電解質(「SPE」)膜或質子交換膜(「PEM」)以在充當電絕緣體的同時提供陽極與陰極之間的離子遷移。在質子交換膜型燃料電池中，氫作為燃料供應至陽極，氧作為氧化劑供應至陰極。氧可以是純氧(O2)或空氣(O2和N2的混合物)。PEM燃料電池通常具有膜電極組件(「MEA」)，其中固體聚合物膜在一面上具有陽極催化劑，在相反面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極和陰極層由多孔導電材料，如織造石墨(woven graphite)、石墨化片材或碳紙(carbon paper)形成以使燃料能夠分散在面向燃料供給電極的膜的表面上。各電極具有負載在碳粒子上的細碎催化劑粒子(例如鉬粒子)以促進氫在陽極處的氧化和氧在陰極處的還原。質子從陽極穿過離子導電聚合物膜流向陰極，在此它們與氧結合形成水，水從電池中排出。通常，該離子導電的聚合物膜包括全氟磺酸(PESA)離聚物。MEA夾在ー對多孔氣體擴散層(「⑶L」)之間，這對⑶L又夾在ー對導電元件或板之間。該板充當陽極和陰極的集流器(current collector),並含有在其中形成的用於將該燃料電池的氣態反應物分配在各自的陽極和陰極催化劑表面上的適當的通道和開ロ。為了有效發電，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須薄、化學穩定、可傳輸質子、不導電和不透氣。在典型用途中，燃料電池以成組的許多獨立燃料電池的陣列形式提供以提供大量電力。聚合物電解質在決定PEM燃料電池的效率中起到重要作用。為了實現最佳性能，該聚合物電解質必須在高和低 相対溼度下都保持高離子電導率和機械穩定性。該聚合物電解質還需要為長產品壽命和穩健性而具有優異的化學穩定性。儘管用於燃料電池的聚合膜合理地有效工作，但化學降解仍是ー個問題。因此，需要改進的離子導電聚合物組合物和由其形成的膜。發明概述
本發明通過在至少ー個實施方案中為燃料電池提供離子導電聚合膜來解決現有技術的ー個或多個問題。該離子導電聚合物具有給質子基團和聚(甲基丙烯酸甲酷)。在另ー實施方案中，提供包含如上所述的離子導電膜的用於燃料電池的膜電極組件。該膜電極組件包括陽極層、陰極層和位於陽極層與陰極層之間的離子導電膜。該離子導電膜包含具有給質子基團和聚(甲基丙烯酸甲酷)的離子導電聚合物。有利地，聚甲基丙烯酸甲酯可添加到該離子導電聚合物中而不顯著損失燃料電池性質並同時提高化學耐久性。本發明還包含以下方面1.燃料電池的膜電極組件，所述膜電極組件包含
陽極層；
陰極層；位於該陽極層與該陰極層之間的離子導電膜，所述離子導電膜包含
具有給質子基團的離子導電聚合物；和聚(甲基丙烯酸甲酷)。2.方面I的膜電極組件，其中所述給質子基團包含選自-S02x、-PO3H2, -COX及其組合的組分，且X是-0H、滷素或酷。3.方面I的膜電極組件，其中所述聚(甲基丙烯酸甲酷)以小於該離子導電膜總
重量的大約30重量％的量存在。4.方面I的膜電極組件，其中所述聚(甲基丙烯酸甲酷)以該離子導電膜總重量的大約I至大約20重量％的量存在。5.方面I的膜電極組件，其中所述具有給質子基團的離子導電聚合物包含選自全氟磺酸聚合物、烴-基離聚物、磺化聚醚醚酮聚合物、磺化全氟環丁烷聚合物及其組合的組分。6.方面I的膜電極組件，其中所述離子導電聚合物包含含有基於下式所示的全氟こ烯基化合物的聚合單元和基於四氟こ烯的聚合單元的共聚物
CF2=CF- (OCF2CFX1) m-0r- (CF2) ,-SO3H
其中m代表0至3的整數，q代表I至12的整數，！■代表0或1，X1代表氟原子或三氟甲基。7.方面I的膜電極組件，其中所述離子導電膜進ー步包含含氟弾性體。8.方面7的膜電極組件，其中所述含氟弾性體包含選自聚(偏ニ氟こ烯)、聚(四氟乙烯)、聚(六氟丙烯)、聚(氟乙烯)、聚(氯三氟乙烯)、聚(全氟甲基乙烯基醚)、聚(三氟乙烯)及其組合的組分。9.方面7的膜電極組件，其中所述含氟弾性體以該離子導電膜總重量的大約1重
量％至大約40重量％的量存在。10.方面I的膜電極組件，其中所述具有給質子基團的離子導電聚合物包括含環丁基的聚合物，其具有包含聚合物鏈段I的聚合物鏈段
權利要求
1.燃料電池的膜電極組件，所述膜電極組件包含 陽極層； 陰極層； 位於該陽極層與該陰極層之間的離子導電膜，所述離子導電膜包含具有給質子基團的離子導電聚合物；和聚(甲基丙烯酸甲酯)。
2.權利要求1的膜電極組件，其中所述給質子基團包含選自_S02X、-PO3H2,-COX及其組合的組分，且X是-0H、滷素或酯。
3.權利要求1的膜電極組件，其中所述聚(甲基丙烯酸甲酯)以該離子導電膜總重量的大約I至大約20重量％的量存在。
4.權利要求1的膜電極組件，其中所述具有給質子基團的離子導電聚合物包含選自全氟磺酸聚合物、烴-基離聚物、磺化聚醚醚酮聚合物、磺化全氟環丁烷聚合物及其組合的組分。
5.權利要求1的膜電極組件，其中所述離子導電聚合物包含含有基於下式所示的全氟乙烯基化合物的聚合單元和基於四氟乙烯的聚合單元的共聚物 CF2=CF- (OCF2CFX1) m-0r- (CF2) ,-SO3H 其中m代表O至3的整數，q代表I至12的整數，r代表O或1，X1代表氟原子或三氟甲基。
6.權利要求1的膜電極組件，其中所述離子導電膜進一步包含含氟彈性體，其中所述含氟彈性體包含選自聚(偏二氟乙烯)、聚(四氟乙烯)、聚(六氟丙烯)、聚(氟乙烯)、聚(氯三氟乙烯)、聚(全氟甲基乙烯基醚)、聚(三氟乙烯)及其組合的組分，其中所述含氟彈性體以該離子導電膜總重量的大約I重量％至大約40重量％的量存在。
7.權利要求1的膜電極組件，其中所述具有給質子基團的離子導電聚合物包括含環丁基的聚合物，其具有包含聚合物鏈段I的聚合物鏈段
8.離子導電膜，其包含 具有給質子基團的離子導電聚合物；和 聚(甲基丙烯酸甲酯) 其中所述離子導電層是平坦的並具有I微米至200微米的厚度。
9.權利要求8的離子導電膜，其中所述離子導電聚合物包含含有基於下式所示的全氟乙烯基化合物的聚合單元和基於四氟乙烯的聚合單元的共聚物 CF2=CF- (OCF2CFX1) m-0r- (CF2) ,-SO3H 其中m代表O至3的整數，q代表I至12的整數，r代表O或1，X1代表氟原子或三氟甲基。
10.權利要求8的離子導電膜，其中所述具有給質子基團的離子導電聚合物包括含環丁基的聚合物，其具有包含聚合物鏈段I的聚合物鏈段
全文摘要
燃料電池的離子導電膜包括具有給質子基團和聚(甲基丙烯酸甲酯)的離子導電聚合物。特有地，該離子導電層是平坦的並具有1微米至200微米的厚度。膜電極組件包括介於陰極層和陽極層之間的離子導電膜。
文檔編號H01M4/86GK103035927SQ201210376360
公開日2013年4月10日 申請日期2012年10月8日 優先權日2011年9月30日
發明者M.R.謝內維斯, T.J.富勒, L.鄒 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司