磺化pps燃料電池電極的製作方法

2024-04-08 13:39:05

磺化pps燃料電池電極的製作方法
【專利摘要】製備用於燃料電池應用的纖維層的方法包括將含聚苯硫醚的樹脂與水溶性載體樹脂結合以形成樹脂混合物的步驟。然後成型該樹脂混合物以形成成型的樹脂混合物。該成型的樹脂混合物具有在載體樹脂內的含聚苯硫醚的結構。使該成型的樹脂混合物與水接觸(如洗滌)以從所述載體樹脂中分離含聚苯硫醚的結構。向含聚苯硫醚的結構中添加任選的給質子基團和然後添加催化劑。
【專利說明】磺化PPS燃料電池電極
[0001]本發明涉及用於燃料電池應用的改性聚苯硫醚(PPS)纖維。
[0002]發明背景
[0003]高質量多孔墊用於過濾和許多電子裝置例如電池組和燃料電池中。在該裝置中，該多孔墊有利地允許氣體或溶解在液體中的成分穿過。多孔墊由超纖維、納米纖維、和微孔薄膜製成。通過在溶劑可溶性聚合物的情況下靜電紡絲(electrospinning)製備這些尺寸的纖維。然而，在沒有維持高溫的情況下在高沸點溶劑中聚烯烴難以形成溶液。通過將這些塑料聚合物的膜或者片上雙向拉伸製備多孔聚烯烴。可替換地，在製備工藝期間向聚烯烴片中添加致孔劑，其隨後通過溶劑萃取或者使用加熱去除。在溶劑可溶性烯烴的情況下可以使用靜電紡絲法，其可以在溶液中加工。
[0004]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(02和隊的混合物)。質子交換膜(「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齊U。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。典型的，離子導電聚合物膜包括全氟磺酸(PFSA)離聚物。
[0005]各催化劑層具有負載在碳顆粒上的細碎催化劑顆粒(例如鉬顆粒)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。
[0006]MEA夾在一對多孔氣體擴散層(「⑶L」)之間，這對⑶L又夾在一對導電流場元件或板之間。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口。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，燃料電池以許多成組的獨立燃料電池(fuel cell in stacks)的陣列(arrays)形式提供以提供大量電力。
[0007]MEA夾在一對多孔的氣體擴散層("⑶L ")之間，該氣體擴散層位於一對導電流場元件或板之間。板作為陽極和陰極的集電器，並且包含適當的通路和那裡形成的開口，以分別在陽極和陰極催化劑的表面上分配燃料電池的氣體反應物。為了有效產生電流，PEM燃料電池的聚合物電解膜必須薄，化學穩定，質子傳遞，不導電並且氣體可透過。在典型的應用中，許多單獨的燃料電池堆疊系列提供燃料電池，以提供高水平的電能。
[0008]在許多燃料電池應用中，電極層由墨水成分組成，其包括貴金屬和全氟磺酸聚合物(PFSA)。例如，PFSA典型地被加到質子交換膜燃料電池的電極層結構中的Pt/C催化劑墨水中，以向分散的Pt納米顆粒催化劑提供質子傳導並粘接多孔碳網。傳統的燃料電池催化劑將炭黑與離聚物一起與沉積在碳表面上的鉬結合。炭黑提供(部分地)高表面積傳導基底。鉬沉積物提供催化作用，並且離聚物提供質子傳導成分。電極由含有炭黑催化劑和離聚物的墨水組成，其在乾燥時結合以形成電極層。[0009]在燃料電池技術中氣體擴散層具有多面角色。例如，氣體擴散層作為擴散器用於反應氣體傳送到陽極和陰極同時將產物水輸送到流場。氣體擴散層還傳導電子和將在膜電極組件產生的熱傳送到冷卻劑，以及作為柔軟的膜電極組件和硬的雙極板級之間的緩衝層。儘管，用於使氣體擴散層用於燃料電池應用的現有技術工作的相當好，在性質和成本上的改進仍舊是期望的。
[0010]相應地，本發明提供了製備在燃料電池應用中有用的多孔墊的改進方法。
[0011]發明概述
[0012]本發明通過提供在至少一個實施方案中製備用於燃料電池應用的纖維性層的方法解決現有技術的一個或多個問題。所述方法包括將含聚苯硫醚的樹脂與水溶性載體樹脂結合以形成樹脂混合物的步驟。然後將所述樹脂混合物擠出以形成有成型的樹脂混合物。該成型的樹脂混合物包括在載體樹脂內的含聚苯硫醚的結構。使成型的樹脂混合物與水接觸(如洗滌)以便從載體樹脂中分離含聚苯硫醚的結構。向含聚苯硫醚結構中加入任選的給質子基團和隨後催化劑。
[0013]在另一個實施方案中，提供了製備用於燃料電池應用中的纖維片的方法。該方法包括將含聚苯硫醚的樹脂和水溶性載體樹脂結合以形成樹脂混合物的步驟。將該樹脂混合物擠出以形成擠出的樹脂混合物。擠出的樹脂混合物包括布置於載體樹脂內的含聚苯硫醚的纖維。使擠出的樹脂混合物與水接觸以從該載體樹脂中分離所述含聚苯硫醚的纖維。隨後任選將含聚苯硫醚纖維磺化以形成磺化的含聚苯硫醚的纖維。使用催化劑塗布至少一部分的含聚苯硫醚纖維。隨後將該磺化的含聚苯硫醚纖維形成為燃料電池電極層。
[0014]在又另一實施方案中，提供了包含磺化含聚苯硫醚纖維的燃料電池。該燃料電池包括第一流場板和第二流場板。將含第一催化劑的電極層和含第二催化劑的電極層插入到第一流場板和第二流場板之間。在第一催化劑層和第二催化劑層之間插入離子傳導層。特徵地，含第一催化劑的電極層和含第二催化劑的電極層的至少一個包括包含催化劑的磺化含聚苯硫醚纖維。
[0015]可以改變多個實施方案中的納米級磺化聚苯硫醚纖維以具備離聚物性質、催化性質、和導電性質。這些改變向單個成分中提供傳統炭黑-鉬燃料電池催化劑的部分或者全部性質。纖維的外部尺寸也在用於炭黑-鉬燃料電池催化劑的炭黑顆粒的外部尺寸的範圍內，在炭黑催化劑的官能表面產生在範圍上類似的表面區域。
[0016]本發明進一步包含下面各方面:
[0017]1、方法，所述方法包括:
[0018]將含聚苯硫醚樹脂與水溶性載體樹脂結合以形成樹脂混合物；
[0019]成型所述樹脂混合物以形成成型的樹脂混合物，該成型的樹脂混合物具有在所述載體樹脂內的含聚苯硫醚結構；
[0020]使該成型的樹脂混合物與水接觸以從所述載體樹脂中分離所述含聚苯硫醚的結構；
[0021]任選地將給質子基團添加到所述含聚苯硫醚的結構中；和
[0022]將催化劑加入到所述含聚苯硫醚的結構中。
[0023]2、第I方面所述的方法，進一步包括將所述含聚苯硫醚的結構引入到燃料電池電極層中。[0024]3、第I方面所述的方法，其中所述含聚苯硫醚的結構包括選自纖維、珠粒、球形和橢圓形的組分。
[0025]4、第I方面所述的方法，其中所述給質子基團是S02X、-PO3H2、或-C0X，其中X是-0H、齒素或酯。
[0026]5、第I方面所述的方法，其中所述含聚苯硫醚樹脂包含許多導電顆粒。
[0027]6、第5方面所述的方法，其中所述導電顆粒選自碳顆粒、石墨顆粒、金屬顆粒和其組合。
[0028]7、第I方面所述的方法，其中所述載體樹脂是水溶性聚醯胺。
[0029]8、第I方面所述的方法，其中所述載體樹脂包含聚(2-乙基-2-噁唑啉)。
[0030]9、第I方面所述的方法，其中含聚苯硫醚樹脂與載體樹脂的重量比是約1: 100到約10: 1
[0031]10、第I方面所述的方法，其中所述含聚苯硫醚的結構具有約5納米到約10微米的平均直徑。
[0032]11、第I方面所述的方法，其中所述催化劑包括選自金、鉬、鈀和其組合的組分。
[0033]12、方法，所述方法包括:
[0034]將含聚苯硫醚樹脂與水溶性載體樹脂結合以形成樹脂混合物；
[0035]擠出所述樹脂混合物以形成擠出的樹脂混合物，該擠出的樹脂混合物具有在所述載體樹脂內的含聚苯硫醚纖維；
[0036]使所述擠出的樹脂混合物與水接觸以便從所述載體樹脂中分離所述含聚苯硫醚的纖維；
[0037]將所述含聚苯硫醚的纖維磺化；
[0038]使用催化劑塗布至少一部分的所述含聚苯硫醚的纖維；和
[0039]將所述含聚苯硫醚的纖維形成為燃料電池電極層。
[0040]13、第12方面的方法，其中所述含聚苯硫醚樹脂包含許多導電顆粒。
[0041]14、第13方面的方法，其中所述導電顆粒選自碳顆粒、石墨顆粒、金屬顆粒和其組
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[0042]15、第13方面的方法，其中所述載體樹脂是水溶性聚醯胺。
[0043]16、第12方面的方法，其中所述載體樹脂包含聚(2-乙基_2_噁唑啉)。
[0044]17、燃料電池，其包含:
[0045]第一流場板；
[0046]第二流場板；
[0047]在第一流場板和第二流場板之間插入的含第一催化劑電極層；
[0048]在第一流場板和第二流場板之間插入的含第二催化劑電極層；
[0049]在第一催化劑層和第二催化劑層之間插入的離子傳導層，其中含第一催化劑電極層和含第二催化電極層的至少一個包含磺化含聚苯硫醚的纖維，所述磺化含聚苯硫醚的纖維包含催化劑。
[0050]18、第17方面的燃料電池，其中所述含聚苯硫醚的纖維包含許多導電顆粒。
[0051]19、第12方面的燃料電池，其中所述含聚苯硫醚的纖維具有約5納米到約10微米的平均直徑。[0052]20、第12方面所述的方法，其中所述催化劑包含選自金、鉬、鈀和其組合的組分。附圖簡介
[0053]從這些詳細說明和附圖將會更加詳細地理解本發明的示例性實施方案，其中:
[0054]圖1提供了引入分離器的燃料電池的示意性說明。
[0055]圖2是由以下闡述的方法的變型製備的纖維板或者墊的理想化俯視圖。
[0056]圖3是顯示用於燃料電池應用的聚苯硫醚的製備的示意性流程圖；
[0057]圖4A和4B提供了在兩種不同放大倍數下的聚苯硫醚納米纖維的顯微圖。
[0058]圖5A和5B是兩種不同放大倍數下的磺化聚苯硫醚的顯微照片。
[0059]圖6A和6B提供兩種不同放大倍數下的鍍鉬金屬的聚苯硫醚納米纖維的顯微照片。
[0060]圖7A和7B提供兩種不同放大倍數下的鍍金-鈀金屬的聚苯硫醚納米纖維的顯微照片。
[0061]發明詳述
[0062]現在詳細提到本發明的目前優選的組合物、實施方案和方法，它們構成本發明人目前已知的實施本發明的最佳方式。附圖不一定按比例繪製。但是，要理解的是，所公開的實施方案僅是本發明的示例，本發明可以具體體現為各種備選形式。因此，本文中公開的具體細節不應被視為限制性的，而是僅作為本發明的任何方面的代表性基礎和/或作為教導本領域技術人員以各種方式利用本發明的代表性基礎。
[0063]除了在實施例中或在明確另行指明之處外，本說明書中表示材料量或反應條件和/或使用條件的所有數值量應被理解為用詞語「大約」修飾以描述本發明的最寬範圍。通常優選在所述數值極限內實施。此外，除非明確作出相反論述:百分比、「份數」和比率值都按重量計；術語"聚合物"包括"低聚物"，"共聚物"，"三元共聚物"，等等；對於與本發明相關的給定用途而言合適或優選的一組或一類材料的描述意味著該組或該類中任意兩個或更多個成員的混合物同樣合適或優選；任何聚合物的分子量是指數均分子量；以化學術語描述的成分是指在添加到本說明書中規定的任何組合中時的成分，且不一定排除一經混合後混合物成分之間的化學相互作用；首字母縮寫詞或其它縮略語的首次定義適用於同一縮略語在本文中的所有後續應用，並準用於最初定義的縮略語的正常語法變動；除非明確作出相反論述，一性質的測量通過如上文或下文對相同性質提到的相同技術進行。
[0064]同樣要理解的是，本發明不限於下述具體實施方案和方法，因為具體組分和/或條件當然可變。此外，本文所用的術語僅用於描述本發明的具體實施方案並且無論如何不是限制性的。
[0065]還必須指出，除非文中清楚地另行指明，說明書和所附權利要求中所用的單數形式「一(a，an)」和「該(the) 」包含複數對象。例如，以單數提到的組分意在包括多種組分。
[0066]貫穿本申請，在參考出版物的地方，這些出版物的公開內容籍此參考全文引入到本申請中以更充分地描述本發明相關的現有技術。
[0067]參考圖1，提供了引入纖維片的實施方式的燃料電池的截面示意圖。質子交換膜(PEM)燃料電池10包括設置在陰極催化劑層14和陽極催化劑層16之間的聚合物離子傳導膜12。燃料電池10還包括流場板18，20，氣體通道22和24，以及氣體擴散層26和28。有利地，陰極催化劑層14和/或陽極催化劑層16包括如下所述的聚苯硫醚(PPS)結構(即，纖維)。在操作燃料電池期間，將燃料(例如氫)供應到陽極側上的流場板20，和將氧化劑(例如氧)供應到陰極側上的流場板18。通過陽極催化劑層16產生的氫離子遷移通過聚合離子傳導膜12，它們在陰極催化劑層14反應以形成水。這個電化學方法通過連接到流場板18和20的負荷產生電流。
[0068]在本發明的實施方案中，聚苯硫醚納米厚(thick)纖維利用加入磺酸基團官能化，產生質子傳導纖維。這些纖維可以作為增強組分添加到電極層中。它們提供了優於其他添加劑的許多優點。特別地，聚苯硫醚是耐熱、耐酸和耐鹼、耐漂白劑、耐老化、耐日光和耐磨損的。這些纖維容易地分散到水中和醇中，和利用加入磺酸基團，是作為電極添加劑的優異的選擇。纖維的撓性性質減少了與更多脊形纖維(ridged fiber)共同的擔憂。一般來說，聚苯硫醚難以在化學上改性，因為該材料不溶解在任何溶劑中，除了在高溫下，而且是廣泛非反應的。本發明的該方法是令人驚訝地發現產生納米厚纖維，其是可用給質子基團和特別地磺酸基團改性的。與由其他熱塑性塑料製備的纖維相比，PPS纖維的納米厚度和它們強的纏繞傾向是獨特的。與高操作溫度結合的此特徵使得PPS作為電極添加劑是獨一無二地合適的。在一些變型中，該纖維也可以具有微米範圍的纖維直徑。特別地，產生約10到約30微米的纖維。
[0069]參考圖2，提供了由以下所述方法的變型製備的纖維墊的理想化俯視圖。纖維片30由聚集在一起以形成墊狀層的許多聚苯硫醚纖維32形成。典型地，聚苯硫醚纖維32具有從約5納米到約30微米的平均寬度。在另一個實施中，聚苯硫醚纖維32具有從約5納米到約10微米的平均寬度(S卩，直徑)。在又另一改進中，聚苯硫醚纖維32具有從約10納米到約5微米的平均寬度。在又另一改進中，聚苯硫醚纖維32具有從約100納米到約5微米的平均寬度。在又另一改進變型中，聚苯硫醚纖維32具有從約50納米到約400納米的平均寬度。在又另一改進中，纖維片30是導電性的。在一定變型中，聚苯硫醚纖維32利用如以下所述的給質子基團和/或金屬層改性。
[0070]在本發明的實施方案的一個變型中，纖維片30具有從約50微米到約2毫米的厚度。在一個改進中，纖維片30具有從約50微米到約I毫米的厚度。在另一個改進中，纖維片30具有從約100微米到約500毫米的厚度。
[0071]在另一個變型中，所述纖維片包括導致孔隙率的空隙。在一個改進中，孔隙率是從約5到95體積％。在此背景下，孔隙率指該片的為空的體積％。在另一個改進中，孔隙率是從約20到80體積％。在又另一改進中，孔隙率是從約40到60體積％。
[0072]參考圖3，提供製備用於燃料電池應用的聚苯硫醚結構的方法的流程示意圖。在步驟a)中，將含聚苯硫醚的樹脂40與水溶性載體樹脂42結合以形成樹脂混合物44。在一個改進中，含聚苯硫醚的樹脂40與水溶性載體樹脂42的重量比為1: 100到約10: I。在另一個改進中，含聚苯硫醚的樹脂40與水溶性載體樹脂42的重量比為1: 50到約10:1。在又另一改進中，含聚苯硫醚樹的脂40與水溶性載體樹脂42的重量比為1: 10到約10: I。在步驟b)，成型樹脂混合物44。圖3描述了特定的實施例，其中擠出樹脂混合物44。因此，在步驟b)中將樹脂混合物44從擠出機中擠出以形成擠出的樹脂混合物48。擠出的樹脂混合物48包括在載體樹脂42內的含聚苯硫醚的纖維50。在一個改進中，該擠出可以變化或者使用產生珠、球或橢圓形含聚苯硫醚的結構的步驟代替。珠、球或橢圓形的形成取決於擠出條件。當期望珠時，熔融的擠出材料(熔融擠出物)不應當在張力下牽伸和拉伸以使不相容的球形結構區域變形為纖維。在步驟C)中，擠出的纖維任選從擠出機46中分離。在步驟d)中，通過在水中接觸或洗漆使得含聚苯硫醚的纖維50成為游離纖維(freed fromthe fiber)。在步驟e)中，任選地將給質子基團(PG)添加到含聚苯硫醚的纖維中以形成改性的含聚苯硫醚的纖維52:
[0073]
[0074]其中，PG是-S02X、-PO3H2、和-C0X，其中X是-0H、滷素或酯，η是平均約20到約500的數。特別地，在該步驟中將含聚苯硫醚的纖維磺化(SO3H)。
[0075]在一個變型中，在步驟f)中該含聚苯硫醚的纖維至少部分塗布以含金屬層54。在一個改進中，含金屬層54為含催化劑的層。在一個改進中，含金屬的層54包含選自金，鉬，鈀及其組合的成分。合適的用於形成含催化劑的層的膜塗布方法包括，但不局限於物理氣相沉積(PVD)，等離子增強化學氣相沉積(PECVD)，磁控管濺射，電子束沉積，離子束增強沉積，離子輔助沉積，化學氣相沉積，電鍍，等等。
[0076]在步驟g)中，含聚苯硫醚的纖維50或改性的含聚苯硫醚的纖維52形成為或者引入燃料電池組分，例如含催化劑電極層諸如陰極催化劑層14和/或陽極催化劑層16中。在一個改進中，經壓制和加熱磺化含聚苯硫醚的纖維52來形成含催化劑電極層。在另一個改進中，將磺化的含聚苯硫醚的纖維52粘合至紙或者墊。在另一改進中，將磺化的含聚苯硫醚的纖維52與溶劑和任選的離聚物(例如，Nafion?-全氟磺酸聚合物)結合。將該墨水組合物施加到燃料電池組件的表面(例如，離子傳導層或氣體擴散層)和然後乾燥。在該後面的改進中，合適的溶劑包括醇類(例如甲醇、乙醇、丙醇等)和水。發現醇和水的組合是特別有用的。典型地，由該方法形成的陰極催化劑層14和/或陽極催化劑層16具有從約5微米到5毫米的厚度。為優化的性能，陰極`催化劑層14和/或陽極催化劑層16是導電的。
[0077]在本發明一個改進中，在步驟a)中使用的含聚苯硫醚的樹脂40包含許多導電性顆粒。有用的導電顆粒的實例包括但不限於:碳顆粒、石墨顆粒、金屬顆粒和其組合。在另一改進中，在步驟a)中使用的含聚苯硫醚的樹脂40還包含另外的熱塑性樹脂。合適的熱塑性樹脂的實例包括但不限於:聚烯烴、聚酯和其組合。其他的實例包括但不限於聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、全氟磺酸聚合物、全氟環丁烷聚合物、聚環烯烴、聚全氟環丁烷、聚醯胺(非水溶性)、聚交酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、丙烯酸類、乙烯-乙酸乙烯酯、乙烯-乙烯醇、含氟聚合物(例如，PTFE、FEP等)、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈(例如PAN)、聚芳醚酮、聚丁二烯、聚丁烯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚己內酯、聚氯三氟乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸環亞己基二亞甲基酯、聚碳酸酯、聚羥基鏈烷酸酯、聚酮、聚醚酮、聚醚醯亞胺、聚醚碸、氯化聚乙烯(polyethylenechlorinate)、聚甲基戍烯、聚苯醚、聚苯乙烯、聚碸、聚對苯二甲酸丙二醇酯、聚氨酯、聚乙酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、苯乙烯-丙烯腈和其組合。合適的水溶性樹脂的實例包括但不限於:水溶性聚醯胺(例如聚(2-乙基-2-噁唑啉)(「PEOX」))。在一個改進中，PEOX具有從約40000到約600000的數均分子量。已經發現200000到500000的分子量是特別有用的。
[0078]在本發明上述的變化和實施方式的改進中，纖維具有約5納米至約30微米的平均截面寬度(即，當纖維具有圓形截面時的直徑)。在另一個改進中，纖維具有約5納米至約10微米的平均寬度。還在另一個改進中，纖維具有約10納米至約5微米的平均寬度。還在另一個改進中，纖維具有約100納米至約5微米的平均寬度。纖維的長度典型地超過寬度。在進一步的改進中，由本實施方式的方法生產的纖維具有約I毫米至約20毫米或更大的平均長度。
[0079]以下實施例表示本發明的不同實施方式。本領域技術人員將認識到在本發明的精神和權利要求的範圍內的很多變化。
[0080]首先通過在500，000MW水溶性的聚合物聚(2_乙基_2_噁唑啉)(PEOX)中分散PPS製備聚苯硫醚(PPS)熱塑性纖維。特別的，首先在Waring混合機中混合5克的PPS和15克的500，000MW的PEOX (比例為I比3)。將混合的混合物加入實驗室混合擠出機(Dynisco，LME)，在240°C機頭和轉子溫度下操作，驅動電動機在50%容量下操作，獲得所述混合物的擠出條(strand)。將該擠出條加入混合機中以使其回到顆粒形態，並再擠出兩次，產生均勻的擠出條。在最後的擠出過程期間，將纖維以約10釐米/秒紡絲到捲曲輪上(Dynisco捲曲系統(TUS))。
[0081]獲得的擠出條在去離子的、反滲透(RO)水中利用重複漂洗來洗滌，直至除去ΡΕ0Χ，獲得PPS納米纖維樣品。所述纖維然後在異丙醇中漂洗並允許整夜徹底乾燥。圖4A和4B提供了聚(苯硫醚)納米纖維在兩個不同的放大倍率下的顯微照片。
[0082]聚苯硫醚納米纖維以不減少PPS的高表面積形式回到片形式的方式磺化。在具有聚四氟乙烯加墊圈的蓋的螺旋帽罐中，將聚苯硫醚的納米纖維(2g，實施例1)懸浮在二氯甲烷(50g)中。首先將氯磺酸分散在二氯甲烷中(在約IOg中分散Ig)。通過猛烈的攪拌，將氯磺酸分散體(Ig的酸)加入PPS纖維在二氯甲燒中的分配體系(dispensation)中，並蓋緊蓋。該罐滾動研磨(roll-mill)4小時，和然後將暗藍綠色纖維混合物加入水(IL)中並攪拌16小時。該磺化纖維用水大面積地洗漆,並過濾到聚丙烯墊(SeFar America)上。該纖維的離子交換能力是1.03meq H+/g。使用2g氯磺酸和2g聚苯硫醚的納米纖維重複該反應。所得纖維的離子交換能力是1.3meq H+/g。所得的具有磺酸基的聚苯硫醚纖維被稱為PPS-S纖維。圖5A和5B是磺化聚苯硫醚在兩個不同的放大倍率下的顯微照片。
[0083]將催化層加入磺化納米纖維中。在下面的實施例中，鉬鹽在PPS-S纖維的表面上還原為金屬鉬。之前通過在0.1N的氫氧化鈉(IOOmL)中加入磺酸基改性的聚苯硫醚納米纖維(Ig)，用在稀氫氧化銨中的3.4wt.%溶液形式的二胺二硝基鉬(II)處理[Aldrich，47.4mL 溶液，48.42g 溶液，1.646g 二胺二硝基鉬(II),0.005126mol 二胺二硝基鉬(II)]。向該混合物中加入100毫升的在0.1N氫氧化鈉中的15wt.%氫硼化鈉(Aldrich)。在攪拌下在60°C下加熱4小時後，讓該混合物在23°C下攪拌16小時。過濾分離黑色納米纖維，用IN的HCl洗滌，用異丙醇洗滌，並空氣乾燥。這些鍍金屬的納米纖維用作燃料電池催化劑(以及燃料電池中的電子傳導介質)。圖6A和6B提供了鍍金屬的聚苯硫醚納米纖維在兩個不同的放大倍率下的顯微照片。
[0084]圖7A和7B提供鍍金屬的聚苯硫醚納米纖維在兩個不同的放大倍率下的顯微照片。這些圖中，鍍金屬的聚苯硫醚納米纖維通過濺射塗布塗布以金-鈀。
[0085]雖然已經圖解並描述了本發明的實施方式，但不旨在這些實施方式圖解和描述本發明的全部可能的形式。相反的，說明書中使用的措詞是描述的措詞而非限制，並且應當理解可做出多種變化而不離開本發明的精神和範圍。
【權利要求】
1.方法，所述方法包括: 將含聚苯硫醚樹脂與水溶性載體樹脂結合以形成樹脂混合物； 成型所述樹脂混合物以形成成型的樹脂混合物，該成型的樹脂混合物具有在所述載體樹脂內的含聚苯硫醚結構； 使該成型的樹脂混合物與水接觸以從所述載體樹脂中分離所述含聚苯硫醚的結構； 任選地將給質子基團添加到所述含聚苯硫醚的結構中；和 將催化劑加入到所述含聚苯硫醚的結構中。
2.權利要求1所述的方法，進一步包括將所述含聚苯硫醚的結構引入到燃料電池電極層中。
3.權利要求1所述的方法，其中所述含聚苯硫醚的結構包括選自纖維、珠粒、球形和橢圓形的組分。
4.權利要求1所述的方法，其中所述給質子基團是S02X、-P03H2、或-COX，其中X是-0H、滷素或酯。
5.權利要求1所述的方法，其中所述含聚苯硫醚樹脂包含許多導電顆粒。
6.權利要求1所述的方法，其中所述載體樹脂是水溶性聚醯胺。
7.權利要求1所述的方法，其中所述載體樹脂包含聚(2-乙基-2-噁唑啉)。
8.權利要求1所述的方法，其中含聚苯硫醚樹脂與載體樹脂的重量比是約1: 100到約 10: I。
9.權利要求1所述的方法，其中所述含聚苯硫醚的結構具有約5納米到約10微米的平均直徑。 體樹脂包含聚(2-乙基-2-噁唑啉)。
10.燃料電池，其包含: 第一流場板； 第二流場板； 在第一流場板和第二流場板之間插入的含第一催化劑電極層； 在第一流場板和第二流場板之間插入的含第二催化劑電極層； 在第一催化劑層和第二催化劑層之間插入的離子傳導層，其中含第一催化劑電極層和含第二催化電極層的至少一個包含磺化含聚苯硫醚的纖維，所述磺化含聚苯硫醚的纖維包含催化劑。
【文檔編號】H01M4/90GK103490072SQ201310304029
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年6月8日 優先權日:2012年6月8日
【發明者】J·米切爾, T·J·普勒, T·加西克 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司