[發(fā)明專利]用離聚物-Kynar共混物制備的ePTFE支持的聚電解質(zhì)膜

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210252518.5
• 申請日: 2012-07-20
• 公開（公告）號: CN102891332A
• 公開（公告）日: 2013-01-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: L.鄒;T.J.富勒;M.R.謝內(nèi)維斯
• 申請（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;C08J9/42;C08L27/18
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 徐厚才;萬雪松

技術(shù)領(lǐng)域

本公開總體涉及的領(lǐng)域是聚合物電解質(zhì)（polymeric?electrolytes）和結(jié)合有這種聚合物電解質(zhì)的燃料電池。

背景技術(shù)

燃料電池在許多應(yīng)用中用作電源。特別地，燃料電池被建議用于汽車中替代內(nèi)燃機。通常使用的燃料電池設(shè)計使用固體聚合物電解質(zhì)(“SPE”)膜或質(zhì)子交換膜(“PEM”)，以在陽極和陰極之間提供離子傳輸。

在質(zhì)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(O₂和N₂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(tài)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(dǎo)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(yīng)電極的膜表面上。各電極具有擔(dān)載于碳顆粒上的細(xì)散催化劑顆粒(例如鉑顆粒)，以促進(jìn)在陽極處的氫氣的氧化和在陰極處氧氣的還原。質(zhì)子從陽極流過離子傳導(dǎo)聚合物膜流到陰極，在這里它們與氧結(jié)合形成水，該水從電池中排出。該MEA夾在一對多孔氣體擴(kuò)散層(“GDL”)之間，它們進(jìn)而夾在一對無孔的導(dǎo)電性元件或板之間。該板用作陽極和陰極的集流器，并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(tài)反應(yīng)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(chǎn)生電，PEM燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜必須是薄的、化學(xué)穩(wěn)定的、可傳送質(zhì)子的、非導(dǎo)電性的和不透氣的。在典型的應(yīng)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(jìn)的聚合物電解質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和合成這種聚合物電解質(zhì)的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明通過在至少一種實施方案中提供可用于燃料電池應(yīng)用的復(fù)合離子傳導(dǎo)膜（composite?ion-conducting?membrane）而解決了現(xiàn)有技術(shù)的一個或多個問題。本發(fā)明實施方案的復(fù)合膜包括具有預(yù)定的空隙體積（predetermined?void?volume）的支持結(jié)構(gòu)（support?structure）。聚合物電解質(zhì)組合物與該支持結(jié)構(gòu)相接觸。所述聚合物電解質(zhì)組合物包括包含以下部分的第一聚合物：

和包括非離子聚合物的第二聚合物組合物。

在本發(fā)明的另一實施方案中，提供了形成上述復(fù)合膜（composite?membrane）的方法。該實施方案的方法包括其中將支持結(jié)構(gòu)與包含第一聚合物的溶液接觸的步驟。所述支持結(jié)構(gòu)由聚合物形成并具有預(yù)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(yù)定孔隙率限定的所述支持結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域中。包含第一聚合物的溶液涂覆至少部分所述內(nèi)部區(qū)域以形成第一經(jīng)涂覆的支持結(jié)構(gòu)。用包含第二聚合物的溶液涂覆該第一經(jīng)涂覆的支持結(jié)構(gòu)，該包含第二聚合物的溶液滲透到第一聚合物涂覆的支持結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域中，以形成第二經(jīng)涂覆的支持結(jié)構(gòu)。與沒有被第一離聚物溶液涂覆的支持結(jié)構(gòu)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。最后，從該第二經(jīng)涂覆的支持結(jié)構(gòu)去除溶劑以形成復(fù)合膜。可以施加第二聚合物溶液的額外涂層從而支持結(jié)構(gòu)被夾在兩層第二聚合物（離聚物）之間。

本發(fā)明進(jìn)一步體現(xiàn)在以下方面：

1.?用于燃料電池的復(fù)合膜，所述復(fù)合膜包括：

具有預(yù)定空隙體積的膨脹聚四氟乙烯基質(zhì)；

具有式（1）表示的化學(xué)部分的第一聚合物：

?(1)；和

第二聚合物，該第二聚合物包括非離子聚合物，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。

2.?方面1的復(fù)合膜，其中所述第一聚合物是全氟磺酸聚合物（PFSA）。

3.?方面1的復(fù)合膜，其中所述第一聚合物是包含基于四氟乙烯的重復(fù)單元和(CF₂-CF)-(OCF₂CFX)_m-O_p-(CF₂)_n-SO₃H表示的重復(fù)單元的共聚物，其中X表示氟原子或三氟甲基基團(tuán)，m表示0-3的整數(shù)，n表示1-12的整數(shù)，和p表示整數(shù)0或1。

4.?方面3的復(fù)合膜，其中m=1，X=CF₃，p=1以及n=2。

5.?方面3的復(fù)合膜，其中m=0，p=1以及n=2。

6.?方面3的復(fù)合膜，其中m=0，p=1以及n=4。