使聚苯硫醚（pps）和磺化-pps纖維吸收離聚物的制作方法
【專利摘要】一種金屬電極組件，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。該離子導電層包括其中吸收有第一聚合物的聚苯硫醚墊。該聚苯硫醚墊包括含聚苯硫醚結構。還提供了用于形成該離子導電層的方法。
【專利說明】使聚苯硫醚(PPS)和磺化-PPS纖維吸收離聚物
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及用于制造燃料電池離子導電膜的方法。
【背景技術】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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(ink)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。
[0006]因此，本發明提供了制造可用于燃料電池應用的膜的改進方法。

【發明內容】

[0007]本發明通過在至少一個實施方式中提供制造用于燃料電池的金屬電極組件的方法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。該離子導電層包括其中吸收(imbibe)有第一聚合物的聚苯硫醚墊(mat),該聚苯硫醚墊包括含聚苯硫醚結構。
[0008]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。將該樹脂混合物成形以形成成形的樹脂混合物，其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形成為墊，然后使它吸收第一聚合物。
[0009]具體地，本發明涉及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，所述離子導電層包括其中吸收有第一聚合物的聚苯硫醚墊，該聚苯硫醚墊包括含聚苯硫醚結構。
[0010].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選自纖維、珠粒、球體和長圓形體。
[0011].3.根據前述方面中任一項所述的金屬電極組件，其中所述聚苯硫醚結構包含生質子基團。
[0012].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。
[0013].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。
[0014].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50微米的平均厚 度。
[0015].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。
[0016].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。
[0017].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:
【權利要求】
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，所述離子導電層包括其中吸收有第一聚合物的聚苯硫醚墊，該聚苯硫醚墊包括含聚苯硫醚結構。
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選自纖維、珠粒、球體和長圓形體。
3.根據權利要求1所述的金屬電極組件，其中所述聚苯硫醚結構包含生質子基團。
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，所述全氟乙烯基化合物表示為:
7.根據權利要求5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: Eq P] Ql 卩2 I 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
8.一種方法，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； 將所述樹脂混合物成形以形成成形的樹脂混合物，所述成形的樹脂混合物具有位于載體樹脂中的含聚苯硫醚結構；將所述成形的樹脂混合物與水接觸以從載體樹脂中分離所述含聚苯硫醚結構； 任選地磺化所述含聚苯硫醚結構； 將所述含聚苯硫醚結構形成為墊；以及 使第一聚合物吸收到所述墊中。
9.根據權利要求8所述的方法，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。
10.根據權利要求8·所述的方法，其中所述包含聚苯硫醚的樹脂包含生質子基團。
【文檔編號】D06M15/00GK103579642SQ201310341261
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年8月7日 優先權日:2012年8月7日
【發明者】J.米切爾, L.鄒, T.J.富勒 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司