用離聚物-Kynar共混物製備的ePTFE支持的聚電解質膜的製作方法

2023-10-23 21:02:02 4

專利名稱：用離聚物-Kynar共混物製備的ePTFE支持的聚電解質膜的製作方法
技術領域：
本公開總體涉及的領域是聚合物電解質(polymeric electrolytes)和結合有這種聚合物電解質的燃料電池。
背景技術：
燃料電池在許多應用中用作電源。特別地，燃料電池被建議用於汽車中替代內燃機。通常使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」)，以在陽極和陰極之間提供離子傳輸。在質子交換膜型燃料電池中，將氫氣作為燃料提供給陽極和將氧氣作為氧化劑提供給陰極。氧氣能夠是純形式(O2)或是空氣(02和凡的混合物)形式。PEM燃料電池典型
地具有膜電極組件(「MEA」)，其中固態聚合物膜在一個面上具有陽極催化劑，以及在相反的面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極層和陰極層是由多孔傳導性材料如織造石墨、石墨化片材或碳紙形成的，以使得燃料能分散在面對燃料供應電極的膜表面上。各電極具有擔載於碳顆粒上的細散催化劑顆粒(例如鉬顆粒)，以促進在陽極處的氫氣的氧化和在陰極處氧氣的還原。質子從陽極流過離子傳導聚合物膜流到陰極，在這裡它們與氧結合形成水，該水從電池中排出。該MEA夾在一對多孔氣體擴散層(「GDL」)之間，它們進而夾在一對無孔的導電性元件或板之間。該板用作陽極和陰極的集流器，並且含有在其中所形成的合適的通道和開口以便將燃料電池的氣態反應物分布在各個陽極催化劑和陰極催化劑的表面上。為了有效地產生電，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須是薄的、化學穩定的、可傳送質子的、非導電性的和不透氣的。在典型的應用中，燃料電池以許多單個燃料電池堆的陣列形式提供以便提供高水平的電能。因此，希望得到改進的聚合物電解質分子結構和合成這種聚合物電解質的方法。

發明內容
本發明通過在至少一種實施方案中提供可用於燃料電池應用的複合離子傳導膜(composite ion-conducting membrane)而解決了現有技術的一個或多個問題。本發明實施方案的複合膜包括具有預定的空隙體積(predetermined void volume)的支持結構(support structure)ο聚合物電解質組合物與該支持結構相接觸。所述聚合物電解質組合物包括包含以下部分的第一聚合物
C F2-CF2-SO3H
和包括非離子聚合物的第二聚合物組合物。在本發明的另一實施方案中,提供了形成上述複合膜(composite membrane)的方法。該實施方案的方法包括其中將支持結構與包含第一聚合物的溶液接觸的步驟。所述支持結構由聚合物形成並具有預定的孔隙率(porosity)，以便包含第一聚合物的溶液滲透到由所述預定孔隙率限定的所述支持結構的內部區域中。包含第一聚合物的溶液塗覆至少部分所述內部區域以形成第一經塗覆的支持結構。用包含第二聚合物的溶液塗覆該第一經塗覆的支持結構，該包含第二聚合物的溶液滲透到第一聚合物塗覆的支持結構的內部區域中，以形成第二經塗覆的支持結構。與沒有被第一離聚物溶液塗覆的支持結構相比，第一離聚物溶液增強了包含第二聚合物的溶液的滲透。最後，從該第二經塗覆的支持結構去除溶劑以形成複合膜。可以施加第二聚合物溶液的額外塗層從而支持結構被夾在兩層第二聚合物(離聚物)之間。本發明進一步體現在以下方面
I.用於燃料電池的複合膜，所述複合膜包括
具有預定空隙體積的膨脹聚四氟乙烯基質；
具有式(I)表示的化學部分的第一聚合物
權利要求
1.用於燃料電池的複合膜，所述複合膜包括 具有預定空隙體積的膨脹聚四氟乙烯基質； 具有式(I)表示的化學部分的第一聚合物
2.權利要求I的複合膜，其中所述第一聚合物是全氟磺酸聚合物(PFSA)。
3.權利要求I的複合膜，其中所述第一聚合物是包含基於四氟乙烯的重複單元和(CF2-CF)-(OCF2CFX)m-Op-(CF2)n-SO3H表示的重複單元的共聚物，其中X表示氟原子或三氟甲基基團，m表示0-3的整數，η表示1-12的整數，和ρ表示整數O或I。
4.權利要求3的複合膜,其中m=l,X=CF3, p=l以及n=2。
5.權利要求3的複合膜，其中m=0，p=l以及n=2。
6.權利要求3的複合膜，其中m=0，p=l以及n=4。
7.權利要求I的複合膜，其中所述第一聚合物包括選自具有下式的聚合物組的聚合物
8.權利要求I的複合膜，其中所述第二聚合物包括氟聚合物。
9.權利要求8的複合膜，其中所述第二聚合物包括選自聚(四氟乙烯-共聚-乙烯)，聚(偏二氟乙烯-共聚-六氟丙烯)，聚(四氟乙烯-共聚-丙烯)，偏二氟乙烯、六氟丙烯和四氟乙烯的三元共聚物，和乙烯、四氟乙烯和全氟甲基乙烯基醚的三元共聚物的組分。
10.用於燃料電池的聚合物電解質膜，所述聚合物電解質膜包括 具有第一側和第二側的複合膜，所述複合膜包括 具有預定空隙體積的膨脹聚四氟乙烯基質； 具有式(I)表示的化學部分的第一聚合物 —^-CF2—CF2—SOgH (I);和 第二聚合物，所述第二聚合物包括非離子氟聚合物，其中所述第一聚合物和第二聚合物各自填充所述空隙體積的至少一部分； 置於所述第一側上的陰極；以及 置於所述第二側上的陽極。
全文摘要
本發明涉及用離聚物-Kynar共混物製備的ePTFE支持的聚電解質膜。用於燃料電池的複合膜，包括具有預定的空隙體積的膨脹聚四氟乙烯基質，各自填充至少部分所述空隙體積的第一聚合物和第二聚合物。所述第一聚合物包括以下化學部分。還提供了結合有所述複合膜的聚合物電解質膜以及燃料電池。
文檔編號H01M8/10GK102891332SQ201210252518
公開日2013年1月23日 申請日期2012年7月20日 優先權日2011年7月20日
發明者L.鄒, T.J.富勒, M.R.謝內維斯 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司