Pem膜中的金属离子载体的制作方法
【专利摘要】本发明涉及PEM膜中的金属离子载体。包含具有第一面和第二面的质子传导膜的燃料电池用膜电极组件。该质子传导膜进而包含含有环状聚醚基团的第一种聚合物和具有磺酸基的第二种聚合物。该膜电极组件进一步包含设置在该质子传导层的第一面之上的阳极，和设置在该质子传导层的第二面之上的阴极催化剂层。
【专利说明】PEM膜中的金属离子载体
【技术领域】
[0001]在至少一个方面，本发明涉及具有改善稳定性的用于燃料电池的质子交换膜。
【背景技术】
[0002]燃料电池在许多应用领域中用作电源。特别建议在汽车中使用燃料电池代替内燃机。常用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)以提供阳极与阴极之间的离子传输。
[0003]在质子交换膜类型的燃料电池中，氢作为燃料供应至阳极，氧作为氧化剂供应至阴极。氧可以是纯氧(O2)或空气(O2和N2的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(“MEA”)，其中固体聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，在相反面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极和阴极层由多孔导电材料，如编织石墨、石墨化片材或碳纸形成以使燃料能够分散在面向燃料供应电极的膜表面上。各电极具有负载在碳颗粒上的细碎催化剂颗粒(例如钼颗粒)以促进氢在阳极处的氧化和氧在阴极处的还原。质子从阳极穿过离子导电聚合物膜流向阴极，在此它们与氧结合形成水，水从电池中排出。MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，这对GDL又夹在一对非多孔的导电元件或板之间。该板充当阳极和阴极的集电极，并含有在其中形成的用于将该燃料电池的气态反应物分配在各自的阳极和阴极催化剂表面上的适当的通道和开口。为了有效发电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄、化学稳定、可传输质子、不导电和不透气。在典型用途中，燃料电池以成堆的许多独立燃料电池组提供以提供大量电力。虽然PEM燃料电池中目前使用的聚合物膜工作相当良好，但是这种膜对裂纹扩展和机械破坏敏感。
[0004]因此，需要具有改善的化学稳定性的质子交换膜。
【发明内容】
[0005]本发明通过提供用于燃料电池的膜电极组件来解决现有技术的一个或多个问题。该膜电极组件包含具有第一面和第二面的质子传导膜。该质子传导膜进而包含含有离子载体的第一种聚合物和具有磺酸基的第二种聚合物。特别地，该离子载体为环状聚醚基团。该膜电极组件进一步包含设置在该质子传导层的第一面上的阳极，和设置在质子传导层的第二面上的阴极催化剂层。
[0006]在另一个实施方案中，提供用于燃料电池的膜电极组件。该膜电极组件包含具有第一面和第二面的质子传导膜。该质子交换层包含多个纳米颗粒，所述纳米颗粒包含具有离子载体的(ionophoric)环状聚醚基团的第一种聚合物和具有磺酸基的第二种聚合物。该膜电极组件进一步包含设置在质子传导层的第一面之上的阳极，和设置在质子传导层的第二面之上的阴极催化剂层。
[0007]在又另一个实施方案中，提供引入上述膜电极组件的燃料电池。该燃料电池包含在阳极气体扩散层和阴极气体扩散层之间插入的膜电极组件。所得组件典型地插入阳极流场板和阴极流场板之间。[0008]在另一个实施方案中，通过将具有环状聚醚基团的聚合物或离子载体(例如多环冠醚或穴状配体(cryptand))用离聚物分散在液体中(以溶液、分散体或悬浮液形式)，随后通过上清液的离心处理和溶液流延，然后干燥，制备聚电解质膜。
[0009]本发明还包含以下方面:
1.用于燃料电池的膜电极组件，该膜电极组件包含:
具有第一面和第二面的质子传导膜，其包含:
具有磺酸基的第二种聚合物；和 包含环状聚醚基团的第一种聚合物；
设置在所述质子传导层的第一面之上的阳极；和 设置在所述质子传导层的第二面上的阴极催化剂层。
[0010]2.方面I的膜电极组件，其中所述包含环醚基团的化合物以所述质子传导膜总重量的约I至约15 wt%的量存在。
[0011]3.方面I的膜电极组件，其中所述环状聚醚基团为穴状配体或冠醚。
[0012]4.方面I的膜电极组件，其中所述包含环状聚醚基团的化合物为线性聚合物。
[0013]5.方面4的膜电极组件，其中所述线性聚合物具有下式:
【权利要求】
1.用于燃料电池的膜电极组件，该膜电极组件包含: 具有第一面和第二面的质子传导膜，其包含: 具有磺酸基的第二种聚合物；和 包含环状聚醚基团的第一种聚合物； 设置在所述质子传导层的第一面之上的阳极；和 设置在所述质子传导层的第二面上的阴极催化剂层。
2.权利要求1的膜电极组件，其中所述包含环醚基团的化合物以所述质子传导膜总重量的约I至约15 wt%的量存在。
3.权利要求1的膜电极组件，其中所述环状聚醚基团为穴状配体或冠醚。
4.权利要求1的膜电极组件，其中所述包含环状聚醚基团的化合物为具有下式的线性聚合物:......CH-,.............CH.....—
5.权利要求4的膜电极组件，其中CPG选自:
6.权利要求1的膜电极组件，其中所述具有环状聚醚基团的化合物为具有下式之一的环状低聚物:
7.权利要求1的膜电极组件，其中所述具有环状聚醚基团的化合物为通过聚合具有式30的化合物而形成的环状低聚物:
8.权利要求1的膜电极组件，其中所述具有磺酸基的第二种聚合物包含选自全氟磺酸(PFSA)聚合物、具有全氟环丁基部分的聚合物，及其组合的组分。
9.权利要求1的膜电极组件，其中所述具有磺酸基的第二种聚合物包含含有具有下式的聚合单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的整数，q表示I至12的整数,r表示0或I,和X1表示氟原子或三氟甲基。
10.权利要求1的膜电极组件，其中所述具有磺酸基的第二种聚合物包含具有下式的全氟环丁基部分:
【文档编号】H01M8/02GK103682392SQ201310414224
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2012年9月12日
【发明者】T.J.富勒, I.C.哈拉莱, L.邹, M.R.谢内维斯 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司