专利名称：用离聚物-Kynar共混物制备的ePTFE支持的聚电解质膜的制作方法
技术领域：
本公开总体涉及的领域是聚合物电解质(polymeric electrolytes)和结合有这种聚合物电解质的燃料电池。
背景技术：
燃料电池在许多应用中用作电源。特别地，燃料电池被建议用于汽车中替代内燃机。通常使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”)，以在阳极和阴极之间提供离子传输。在质子交换膜型燃料电池中，将氢气作为燃料提供给阳极和将氧气作为氧化剂提供给阴极。氧气能够是纯形式(O2)或是空气(02和凡的混合物)形式。PEM燃料电池典型
地具有膜电极组件(“MEA”)，其中固态聚合物膜在一个面上具有阳极催化剂，以及在相反的面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极层和阴极层是由多孔传导性材料如织造石墨、石墨化片材或碳纸形成的，以使得燃料能分散在面对燃料供应电极的膜表面上。各电极具有担载于碳颗粒上的细散催化剂颗粒(例如钼颗粒)，以促进在阳极处的氢气的氧化和在阴极处氧气的还原。质子从阳极流过离子传导聚合物膜流到阴极，在这里它们与氧结合形成水，该水从电池中排出。该MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，它们进而夹在一对无孔的导电性元件或板之间。该板用作阳极和阴极的集流器，并且含有在其中所形成的合适的通道和开口以便将燃料电池的气态反应物分布在各个阳极催化剂和阴极催化剂的表面上。为了有效地产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、可传送质子的、非导电性的和不透气的。在典型的应用中，燃料电池以许多单个燃料电池堆的阵列形式提供以便提供高水平的电能。因此，希望得到改进的聚合物电解质分子结构和合成这种聚合物电解质的方法。
发明内容
本发明通过在至少一种实施方案中提供可用于燃料电池应用的复合离子传导膜(composite ion-conducting membrane)而解决了现有技术的一个或多个问题。本发明实施方案的复合膜包括具有预定的空隙体积(predetermined void volume)的支持结构(support structure)ο聚合物电解质组合物与该支持结构相接触。所述聚合物电解质组合物包括包含以下部分的第一聚合物
C F2-CF2-SO3H
和包括非离子聚合物的第二聚合物组合物。在本发明的另一实施方案中,提供了形成上述复合膜(composite membrane)的方法。该实施方案的方法包括其中将支持结构与包含第一聚合物的溶液接触的步骤。所述支持结构由聚合物形成并具有预定的孔隙率(porosity)，以便包含第一聚合物的溶液渗透到由所述预定孔隙率限定的所述支持结构的内部区域中。包含第一聚合物的溶液涂覆至少部分所述内部区域以形成第一经涂覆的支持结构。用包含第二聚合物的溶液涂覆该第一经涂覆的支持结构，该包含第二聚合物的溶液渗透到第一聚合物涂覆的支持结构的内部区域中，以形成第二经涂覆的支持结构。与没有被第一离聚物溶液涂覆的支持结构相比，第一离聚物溶液增强了包含第二聚合物的溶液的渗透。最后，从该第二经涂覆的支持结构去除溶剂以形成复合膜。可以施加第二聚合物溶液的额外涂层从而支持结构被夹在两层第二聚合物(离聚物)之间。本发明进一步体现在以下方面
I.用于燃料电池的复合膜，所述复合膜包括
具有预定空隙体积的膨胀聚四氟乙烯基质；
具有式(I)表示的化学部分的第一聚合物
权利要求
1.用于燃料电池的复合膜，所述复合膜包括 具有预定空隙体积的膨胀聚四氟乙烯基质； 具有式(I)表示的化学部分的第一聚合物
2.权利要求I的复合膜，其中所述第一聚合物是全氟磺酸聚合物(PFSA)。
3.权利要求I的复合膜，其中所述第一聚合物是包含基于四氟乙烯的重复单元和(CF2-CF)-(OCF2CFX)m-Op-(CF2)n-SO3H表示的重复单元的共聚物，其中X表示氟原子或三氟甲基基团，m表示0-3的整数，η表示1-12的整数，和ρ表示整数O或I。
4.权利要求3的复合膜,其中m=l,X=CF3, p=l以及n=2。
5.权利要求3的复合膜，其中m=0，p=l以及n=2。
6.权利要求3的复合膜，其中m=0，p=l以及n=4。
7.权利要求I的复合膜，其中所述第一聚合物包括选自具有下式的聚合物组的聚合物
8.权利要求I的复合膜，其中所述第二聚合物包括氟聚合物。
9.权利要求8的复合膜，其中所述第二聚合物包括选自聚(四氟乙烯-共聚-乙烯)，聚(偏二氟乙烯-共聚-六氟丙烯)，聚(四氟乙烯-共聚-丙烯)，偏二氟乙烯、六氟丙烯和四氟乙烯的三元共聚物，和乙烯、四氟乙烯和全氟甲基乙烯基醚的三元共聚物的组分。
10.用于燃料电池的聚合物电解质膜，所述聚合物电解质膜包括 具有第一侧和第二侧的复合膜，所述复合膜包括 具有预定空隙体积的膨胀聚四氟乙烯基质； 具有式(I)表示的化学部分的第一聚合物 —^-CF2—CF2—SOgH (I);和 第二聚合物，所述第二聚合物包括非离子氟聚合物，其中所述第一聚合物和第二聚合物各自填充所述空隙体积的至少一部分； 置于所述第一侧上的阴极；以及 置于所述第二侧上的阳极。
全文摘要
本发明涉及用离聚物-Kynar共混物制备的ePTFE支持的聚电解质膜。用于燃料电池的复合膜，包括具有预定的空隙体积的膨胀聚四氟乙烯基质，各自填充至少部分所述空隙体积的第一聚合物和第二聚合物。所述第一聚合物包括以下化学部分。还提供了结合有所述复合膜的聚合物电解质膜以及燃料电池。
文档编号H01M8/10GK102891332SQ201210252518
公开日2013年1月23日 申请日期2012年7月20日 优先权日2011年7月20日
发明者L.邹, T.J.富勒, 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