PPS膜增強材料制造技術

提供了PPS膜增強材料，還提供了用于燃料電池的金屬電極組件，包括陰極催化劑層、陽極催化劑層和設置在陰極催化劑層和陽極催化劑層之間的離子導電膜。該離子導電膜包括第一聚合物和分散在第一聚合物中的含聚苯硫醚結構，該第一聚合物包括生質子基團。還提供了用于制造該離子導電膜的方法。

【技術實現步驟摘要】
PPS膜增強材料
[0001 ] 本專利技術涉及用于制造燃料電池離子導電膜的方法。
技術介紹
在質子交換膜類型的燃料電池中，氫氣供給到陽極作為燃料，和氧氣供給到陰極作為氧化劑。氧氣可以是純形式(O2)或者空氣(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個面上具有陽極催化劑以及在相對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由多孔導電材料形成，例如編織石墨(woven graphite)、石墨化片或者炭紙以使燃料能夠分散在朝向燃料供給電極的膜表面上。通常，離子導電聚合物膜包含全氟磺酸(PFSA)離聚物。各催化劑層具有負載在碳顆粒上的、細粒催化劑顆粒(例如鉬顆粒)以促進陽極處的氫氣氧化，和陰極處的氧氣還原。質子從陽極透過離子導電聚合物膜流動到陰極，在此所述質子與氧氣結合形成從電池排放的水。MEA夾持在一對多孔氣體擴散層(GDL)之間，所述多孔氣體擴散層夾持在一對導電流場元件或者板之間。所述板充當陽極和陰極的集流器，并包括形成在其中的適當的通道和開口，用于在相應的陽極和陰極催化劑的表面上分配燃料電池的氣體反應物。為了有效地產生電，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須薄、化學穩定、可傳導質子、不導電和氣體不可滲透。在典型的應用中，燃料電池以堆疊的許多單個燃料電池的陣列設置以提供高的電功率水平。在許多燃料電池應用中，電極層由包含貴金屬和全氟磺酸聚合物(PFSA)的油墨組合物形成。例如，在質子交換膜燃料電池的電極層制造中，PFSA通常添加到Pt/C催化劑油墨中以給分散的Pt催化劑納米顆粒提供質子傳導性，以及提供多孔碳網絡的結合。傳統的燃料電池催化劑將碳黑與碳表面上的鉬沉積物，以及離聚物組合。碳黑提供(部分地)高表面積的導電基材。鉬沉積物提供了催化劑性能，并且離聚物提供了質子傳導組分。電極由包含碳黑催化劑和離聚物的油墨形成，它們通過干燥結合形成電極層。雖然目前制造離子導電膜的技術效果相當不錯，但仍然有需要改進的地方。因此，本專利技術提供了制造可用于燃料電池應用的膜的改進方法。
技術實現思路
本專利技術通過在至少一個實施方式中提供用于燃料電池的金屬電極組件解決了現有技術中的一個或多個問題。該金屬電極組件包括陰極催化劑層、陽極催化劑層以及設置在陰極催化劑層和陽極催化劑層之間的離子導電膜。該離子導電膜包括第一聚合物和分散在第一聚合物中的含聚苯硫醚結構,該第一聚合物包括生質子基團(protogenic group)。在另一實施方式中，提供了形成離子導電膜的方法。該方法包括將包含聚苯硫醚的樹脂與水溶性載體樹脂合并以形成樹脂混合物的步驟。然后將該樹脂混合物成形以形成成形的樹脂混合物。該成形的樹脂混合物具有分散在載體樹脂中的含聚苯硫醚結構。將該成形的樹脂混合物與水接觸，以從載體樹脂中分離含聚苯硫醚結構。任選地將該含聚苯硫醚結構磺化。將該含聚苯硫醚結構與第一聚合物合并以形成聚合物組合物。將該聚合物組合物制成離子導電膜，其具有分散在載體樹脂中的含聚苯硫醚結構。有利地，將包含聚苯硫醚和/或磺化聚苯硫醚(S-PPS)的結構纖維添加到離聚物膜中以提高耐用性和短路抗性。PPS和S-PPS納米纖維比目前用于增強聚合電解質膜的膨體聚四氟乙烯纖維網(ePTFE)的結構更穩定，因為PPS和S-PPS納米纖維在壓力下不變形。向PPS中添加硫酸基團(以形成S-PPS)所提供的優點是該纖維與膜本身類似是質子導電性的，而作為膜支撐體使用的ePTFE不是如此。此外，PPS和S-PPS納米纖維易于分散在水和醇中并且是不導電的，使它們成為優良的膜增強添加劑。具體地，本專利技術提供了以下方面的技術方案: ? 1.用于燃料電池的金屬電極組件，所述金屬電極組件包括: 陰極催化劑層； 陽極催化劑層；和 設置在陰極催化劑層和陽極催化劑層之間的離子導電膜，所述離子導電膜包括第一聚合物和分散在第一聚合物中的含聚苯硫醚結構，所述第一聚合物包括生質子基團。.2.根據方面I所述的金屬電極組件，其中所述含聚苯硫醚結構包括選自纖維、珠粒、球體和長圓形體的組分。.3.根據前述方面中任一項所述的金屬電極組件，其中生質子基團添加到聚苯硫醚結構中。.4.根據方面3所述的金屬電極組件，其中所述生質子基團是-S02X、-PO3H2或-C0X，其中X是-0H、鹵素或酯。.5.根據前述方面中任一項所述的金屬電極組件，其中所述含聚苯硫醚結構具有約5納米至約10微米的平均空間尺寸。.6.根據前述方面中任一項所述的金屬電極組件，其中所述離子導電膜具有約5微米至約25微米的平均厚度。.7.根據前述方面中任一項所述的金屬電極組件，其中所述第一聚合物選自全氟磺酸聚合物、包含全氟環丁基的聚合物及它們的組合。.8.根據方面7所述的金屬電極組件，其中所述全氟磺酸聚合物包括包含基于全氟乙烯基化合物的聚合單元和基于四氟乙烯的聚合單元的共聚物，所述全氟乙烯基化合物表示為: CF2=CF- (OCF2CFX1) m-0r- (CF2) q-S03H, 其中m表示O到3的整數，q表示I到12的整數,r表示O或I,且X1表示氟原子或三氟甲基。.9.根據方面7所述的金屬電極組件，其中所述包含全氟環丁基的聚合物包括聚合物鏈段，其包含聚合物鏈段1: E0—Pi—Qi—Pa 1 其中: E0為具有生質子基團如_S02X、-PO3H2和-COX等的結構部分，且特別是含烴的結構部分； Pp P2 各自獨立地不存在或者為-O-、-S-、-so-、-CO-、-SO2-, -NH-, NR2-或-R3-； R2是CV25烷基、CV25芳基或Ci_25亞芳基； R3是C2_25亞烷基、C2_25全氟亞烷基、C2_25全氟烷基醚、C2_25烷基醚或C6_25亞芳基； X為-0H、鹵素、酯或 O本文檔來自技高網...

【技術保護點】
用于燃料電池的金屬電極組件，所述金屬電極組件包括：陰極催化劑層；陽極催化劑層；和設置在陰極催化劑層和陽極催化劑層之間的離子導電膜，所述離子導電膜包括第一聚合物和分散在第一聚合物中的含聚苯硫醚結構，所述第一聚合物包括生質子基團。

【技術特征摘要】
2012.08.07 US 13/568,5021.用于燃料電池的金屬電極組件，所述金屬電極組件包括: 陰極催化劑層； 陽極催化劑層；和 設置在陰極催化劑層和陽極催化劑層之間的離子導電膜，所述離子導電膜包括第一聚合物和分散在第一聚合物中的含聚苯硫醚結構，所述第一聚合物包括生質子基團。2.根據權利要求1所述的金屬電極組件，其中所述含聚苯硫醚結構包括選自纖維、珠粒、球體和長圓形體的組分。3.根據權利要求1所述的金屬電極組件，其中生質子基團添加到聚苯硫醚結構中。4.根據權利要求3所述的金屬電極組件，其中所述生質子基團是-S02X、-P03H2或-COX，其中X是_0H、鹵素或酯。5.根據權利要求1所述的金屬電極組件，其中所述第一聚合物選自全氟磺酸聚合物、包含全氟環丁基的聚合物及它們的組合。6.根據權利要求5所述的金屬電極組件，其中所述全氟磺酸聚合物包括包含基于全氟乙烯基化合物的聚合單元和基 于四氟乙烯的聚合單元的共聚物，所述全氟...

【專利技術屬性】
技術研發人員：J米切爾，TJ富勒，
申請(專利權)人：通用汽車環球科技運作有限責任公司，
類型：發明
國別省市：