專利名稱：多層聚電解質(zhì)膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在至少一個方面，本發(fā)明涉及用于燃料電池的離子導(dǎo)電膜，特別是具有多層結(jié)構(gòu)的離子導(dǎo)電膜。
背景技術(shù)：
在很多應(yīng)用中燃料電池被用作電力能源。特別地，提出在汽車中使用燃料電池以替代內(nèi)燃機。通常使用的燃料電池設(shè)計使用固態(tài)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，氫作為燃料供應(yīng)至陽極，氧作為氧化劑供應(yīng)至陰極。氧可以是純氧(O2)或空氣(02和隊的混合物)AEM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(dǎo)電材料，如織造石墨(woven graphite)、石墨化片材或碳紙(carbon paper)形成以使燃料和氧化劑能夠分散在分別面向燃料和氧化劑供給電極的膜的表面上。各電極具有負(fù)載在碳粒子上的細(xì)碎催化劑粒子(例如鉬粒子)以促進(jìn)氫在陽極處的氧化和氧在陰極處的還原。質(zhì)子從陽極穿過離子導(dǎo)電聚合物膜流向陰極，在此它們與氧結(jié)合形成水，水從電池中排出。通常，該離子導(dǎo)電的聚合物膜包括全氟磺酸(PESA)離聚物。MEA夾在一對多孔氣體擴散層(“⑶L”)之間，這對⑶L又夾在一對無孔的導(dǎo)電元件或板之間。該板充當(dāng)陽極和陰極的集流器(current collector),并含有在其中形成的用于將該燃料電池的氣態(tài)反應(yīng)物分配在各自的陽極和陰極催化劑表面上的適當(dāng)?shù)耐ǖ篮烷_口。為了有效發(fā)電，PEM燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜必須薄、化學(xué)穩(wěn)定、可傳輸質(zhì)子、不導(dǎo)電和不透氣。在典型用途中，燃料電池以許多獨立燃料電池組(fuel cell stack)的陣列(arrays)形式提供以提供大量電力 。盡管在這些燃料電池中使用的膜工作得很好，現(xiàn)有技術(shù)的膜仍然存在涉及穩(wěn)定性、強度和成本的缺點。因此，燃料電池的應(yīng)用需要改善的離子交換膜。發(fā)明概述通過為燃料電池應(yīng)用提供多層聚電解質(zhì)膜，本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)中的一個或多個問題。所述膜包括第一含全氟環(huán)丁基的層，該層包括具有全氟環(huán)丁基基團(tuán)的聚合物。所述的第一層是呈典型平面的，具有第一主面(major side)和第二主面，在其上分布有額外的層。所述膜也包括在第一層的第一主面上分布的第一 PFSA層，以及在第一層的第二要面上分布的第二 PFSA層。在另一個實施方式中，提供了用于燃料電池的多層聚電解質(zhì)膜。所述膜包括第一含全氟環(huán)丁基的層，該層包括具有全氟環(huán)丁基基團(tuán)的聚合物。典型地，所述第一全氟環(huán)丁基層具有第一主面和第二主面。所述膜進(jìn)一步包括在第一全氟環(huán)丁基層的第一主面上分布的支撐層。在另一個實施方式中，提供了形成多層聚電解質(zhì)膜的方法。所述方法包括由液體組合物中的PFCB固體沉積第一含全氟環(huán)丁基的層。在隨后的步驟中，由液體組合物中的PFSA固體沉積第一含PFSA的層。第一含PFSA的層分布在第一含全氟環(huán)丁基的層的第一主面上。本發(fā)明包括以下方面:1.用于燃料電池的多層聚電解質(zhì)膜，所述膜包含:第一含全氟環(huán)丁基的層，其包含具有全氟環(huán)丁基基團(tuán)的聚合物，所述第一含全氟環(huán)丁基的層具有第一主面和第二主面；以及第一 PFSA層，其包含PFSA聚合物，第二層分布在所述第一層的第一主面上。2.根據(jù)方面I的膜，進(jìn)一步包含第二 PFSA層，其包含PFSA聚合物，所述第二 PFSA層分布在所述第一層的第二主面上。3.根據(jù)方面I所述的膜，進(jìn)一步包含支撐層，其與含全氟環(huán)丁基的層、第一PFSA層或第二 PFSA層中的至少一個接觸。4.根據(jù)方面2所述的膜，其中所述支撐層是膨體聚四氟乙烯支撐。5.根據(jù)方面2所述的膜，其中支撐接觸并且至少部分浸入到所述含全氟環(huán)丁基的層和/或所述第一 PFSA層中。6.根據(jù)方面2所述的膜，其中所述支撐接觸并且至少部分浸入所述第一 PFSA層中。7.根據(jù)方面2所述的膜，其中所述支撐接觸并且至少部分浸入到所述第二 PFSA層中。 8.根據(jù)方面2所述的 膜，其中所述第一含全氟環(huán)丁基的層進(jìn)一步包含含氟彈性體。9.根據(jù)方面I所述的膜，其中所述全氟環(huán)丁基基團(tuán)是:
權(quán)利要求
1.用于燃料電池的多層聚電解質(zhì)膜，所述膜包含: 第一含全氟環(huán)丁基的層，其包含具有全氟環(huán)丁基基團(tuán)的聚合物，所述第一含全氟環(huán)丁基的層具有第一主面和第二主面；以及 第一 PFSA層，其包含PFSA聚合物，第二層分布在所述第一層的第一主面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的膜，進(jìn)一步包含第二PFSA層，其包含PFSA聚合物，所述第二 PFSA層分布在所述第一層的第二主面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜，進(jìn)一步包含支撐層，其與含全氟環(huán)丁基的層、第一PFSA層或第二 PFSA層中的至少一個接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的膜，其中所述支撐層是膨體聚四氟乙烯支撐。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的膜，其中所述第一含全氟環(huán)丁基的層進(jìn)一步包含含氟彈性體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜，其中所述全氟環(huán)丁基基團(tuán)是:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜，其中所述第一層包含聚合物鏈段I和2:
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜，其中所述第一層包含聚合物鏈段3和4:
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜，其中所述第一層包含聚合物鏈段5和6:E1 (SO2X) ,-P1-Q1-P2 5 E2_P3_Q2_P4 6 它們通過連接基L1連接以形成聚合單元7和8:
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜，其中所述第一層包含聚合物鏈段9和10:E1 (SO2X) ,-P1Q1-P2 9E2(SO2X)f-P3 10其中: E1, E2是含芳基或脂族基團(tuán)的基團(tuán)，其中E1和E2中的至少一個包含用-SO2X取代的芳基; X是-0H,齒素，酯，或
全文摘要
用于燃料電池應(yīng)用的多層聚電解質(zhì)膜，其包括第一含全氟環(huán)丁基的層，該層包含具有全氟環(huán)丁基基團(tuán)的聚合物。所述第一層是典型平面的，具有第一主面和第二主面，在其上分布著額外的層。所述膜也包括分布在所述第一層的第一主面上的第一PFSA層，以及分布在所述第一層的第二主面上的第二PFSA層。
文檔編號H01M8/10GK103247815SQ20131008841
公開日2013年8月14日 申請日期2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月2日
發(fā)明者L·鄒, S·C·穆斯, T·J·富勒 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司