Pem膜中的金屬離子載體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及PEM膜中的金屬離子載體。包含具有第一面和第二面的質(zhì)子傳導(dǎo)膜的燃料電池用膜電極組件。該質(zhì)子傳導(dǎo)膜進(jìn)而包含含有環(huán)狀聚醚基團(tuán)的第一種聚合物和具有磺酸基的第二種聚合物。該膜電極組件進(jìn)一步包含設(shè)置在該質(zhì)子傳導(dǎo)層的第一面之上的陽極，和設(shè)置在該質(zhì)子傳導(dǎo)層的第二面之上的陰極催化劑層。
【專利說明】PEM膜中的金屬離子載體
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]在至少一個(gè)方面，本發(fā)明涉及具有改善穩(wěn)定性的用于燃料電池的質(zhì)子交換膜。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池在許多應(yīng)用領(lǐng)域中用作電源。特別建議在汽車中使用燃料電池代替內(nèi)燃機(jī)。常用的燃料電池設(shè)計(jì)使用固體聚合物電解質(zhì)(“SPE”)膜或質(zhì)子交換膜(“PEM”)以提供陽極與陰極之間的離子傳輸。
[0003]在質(zhì)子交換膜類型的燃料電池中，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(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(dǎo)電材料，如編織石墨、石墨化片材或碳紙形成以使燃料能夠分散在面向燃料供應(yīng)電極的膜表面上。各電極具有負(fù)載在碳顆粒上的細(xì)碎催化劑顆粒(例如鉬顆粒)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。MEA夾在一對(duì)多孔氣體擴(kuò)散層(“GDL”)之間，這對(duì)GDL又夾在一對(duì)非多孔的導(dǎo)電元件或板之間。該板充當(dāng)陽極和陰極的集電極，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，燃料電池以成堆的許多獨(dú)立燃料電池組提供以提供大量電力。雖然PEM燃料電池中目前使用的聚合物膜工作相當(dāng)良好，但是這種膜對(duì)裂紋擴(kuò)展和機(jī)械破壞敏感。
[0004]因此，需要具有改善的化學(xué)穩(wěn)定性的質(zhì)子交換膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明通過提供用于燃料電池的膜電極組件來解決現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)或多個(gè)問題。該膜電極組件包含具有第一面和第二面的質(zhì)子傳導(dǎo)膜。該質(zhì)子傳導(dǎo)膜進(jìn)而包含含有離子載體的第一種聚合物和具有磺酸基的第二種聚合物。特別地，該離子載體為環(huán)狀聚醚基團(tuán)。該膜電極組件進(jìn)一步包含設(shè)置在該質(zhì)子傳導(dǎo)層的第一面上的陽極，和設(shè)置在質(zhì)子傳導(dǎo)層的第二面上的陰極催化劑層。
[0006]在另一個(gè)實(shí)施方案中，提供用于燃料電池的膜電極組件。該膜電極組件包含具有第一面和第二面的質(zhì)子傳導(dǎo)膜。該質(zhì)子交換層包含多個(gè)納米顆粒，所述納米顆粒包含具有離子載體的(ionophoric)環(huán)狀聚醚基團(tuán)的第一種聚合物和具有磺酸基的第二種聚合物。該膜電極組件進(jìn)一步包含設(shè)置在質(zhì)子傳導(dǎo)層的第一面之上的陽極，和設(shè)置在質(zhì)子傳導(dǎo)層的第二面之上的陰極催化劑層。
[0007]在又另一個(gè)實(shí)施方案中，提供引入上述膜電極組件的燃料電池。該燃料電池包含在陽極氣體擴(kuò)散層和陰極氣體擴(kuò)散層之間插入的膜電極組件。所得組件典型地插入陽極流場板和陰極流場板之間。[0008]在另一個(gè)實(shí)施方案中，通過將具有環(huán)狀聚醚基團(tuán)的聚合物或離子載體(例如多環(huán)冠醚或穴狀配體(cryptand))用離聚物分散在液體中(以溶液、分散體或懸浮液形式)，隨后通過上清液的離心處理和溶液流延，然后干燥，制備聚電解質(zhì)膜。
[0009]本發(fā)明還包含以下方面:
1.用于燃料電池的膜電極組件，該膜電極組件包含:
具有第一面和第二面的質(zhì)子傳導(dǎo)膜，其包含:
具有磺酸基的第二種聚合物；和 包含環(huán)狀聚醚基團(tuán)的第一種聚合物；
設(shè)置在所述質(zhì)子傳導(dǎo)層的第一面之上的陽極；和 設(shè)置在所述質(zhì)子傳導(dǎo)層的第二面上的陰極催化劑層。
[0010]2.方面I的膜電極組件，其中所述包含環(huán)醚基團(tuán)的化合物以所述質(zhì)子傳導(dǎo)膜總重量的約I至約15 wt%的量存在。
[0011]3.方面I的膜電極組件，其中所述環(huán)狀聚醚基團(tuán)為穴狀配體或冠醚。
[0012]4.方面I的膜電極組件，其中所述包含環(huán)狀聚醚基團(tuán)的化合物為線性聚合物。
[0013]5.方面4的膜電極組件，其中所述線性聚合物具有下式:
【權(quán)利要求】
1.用于燃料電池的膜電極組件，該膜電極組件包含: 具有第一面和第二面的質(zhì)子傳導(dǎo)膜，其包含: 具有磺酸基的第二種聚合物；和 包含環(huán)狀聚醚基團(tuán)的第一種聚合物； 設(shè)置在所述質(zhì)子傳導(dǎo)層的第一面之上的陽極；和 設(shè)置在所述質(zhì)子傳導(dǎo)層的第二面上的陰極催化劑層。
2.權(quán)利要求1的膜電極組件，其中所述包含環(huán)醚基團(tuán)的化合物以所述質(zhì)子傳導(dǎo)膜總重量的約I至約15 wt%的量存在。
3.權(quán)利要求1的膜電極組件，其中所述環(huán)狀聚醚基團(tuán)為穴狀配體或冠醚。
4.權(quán)利要求1的膜電極組件，其中所述包含環(huán)狀聚醚基團(tuán)的化合物為具有下式的線性聚合物:......CH-,.............CH.....—


5.權(quán)利要求4的膜電極組件，其中CPG選自:

6.權(quán)利要求1的膜電極組件，其中所述具有環(huán)狀聚醚基團(tuán)的化合物為具有下式之一的環(huán)狀低聚物:
7.權(quán)利要求1的膜電極組件，其中所述具有環(huán)狀聚醚基團(tuán)的化合物為通過聚合具有式30的化合物而形成的環(huán)狀低聚物:
8.權(quán)利要求1的膜電極組件，其中所述具有磺酸基的第二種聚合物包含選自全氟磺酸(PFSA)聚合物、具有全氟環(huán)丁基部分的聚合物，及其組合的組分。
9.權(quán)利要求1的膜電極組件，其中所述具有磺酸基的第二種聚合物包含含有具有下式的聚合單元和四氟乙烯的共聚物:
CF2=CF- (OCF2CFX1) m-0r- (CF2) ,-SO3H 其中m表示0至3的整數(shù)，q表示I至12的整數(shù),r表示0或I,和X1表示氟原子或三氟甲基。
10.權(quán)利要求1的膜電極組件，其中所述具有磺酸基的第二種聚合物包含具有下式的全氟環(huán)丁基部分:
【文檔編號(hào)】H01M8/02GK103682392SQ201310414224
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月12日
【發(fā)明者】T.J.富勒, I.C.哈拉萊, L.鄒, M.R.謝內(nèi)維斯 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司