使聚苯硫醚（pps）和磺化-pps纤维吸收离聚物的制作方法
【专利摘要】一种金属电极组件，包括阴极催化剂层、阳极催化剂层和设置在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间的离子导电膜。该离子导电层包括其中吸收有第一聚合物的聚苯硫醚垫。该聚苯硫醚垫包括含聚苯硫醚结构。还提供了用于形成该离子导电层的方法。
【专利说明】使聚苯硫醚(PPS)和磺化-PPS纤维吸收离聚物
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及用于制造燃料电池离子导电膜的方法。
【背景技术】
[0002]在质子交换膜类型的燃料电池中，氢气供给到阳极作为燃料，和氧气供给到阴极作为氧化剂。氧气可以是纯形式(O2)或者空气(02和队的混合物)。质子交换膜("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个面上具有阳极催化剂以及在相对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由多孔导电材料形成，例如编织石墨(woven graphite)、石墨化片或者炭纸以使燃料能够分散在朝向燃料供给电极的膜表面上。通常，离子导电聚合物膜包含全氟磺酸(PFSA)离聚物。
[0003]各催化剂层具有负载在碳颗粒上的、细粒催化剂颗粒(例如钼颗粒)以促进阳极处的氢气氧化，和阴极处的氧气还原。质子从阳极透过离子导电聚合物膜流动到阴极，在此所述质子与氧气结合形成从电池排放的水。
[0004]MEA夹持在一对多孔气体扩散层(GDL)之间，所述多孔气体扩散层夹持在一对导电流场元件或者板之间。所述板充当阳极和阴极的集流器，并包括形成在其中的适当的通道和开口，用于在相应的阳极和阴极催化剂的表面上分配燃料电池的气体反应物。为了有效地产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄、化学稳定、可传导质子、不导电和气体不可渗透。在典型的应用中，燃料电池以堆叠的许多单个燃料电池的阵列设置以提供高的电功率水平。
[0005]在许多燃料电池应用中，电极层由包含贵金属和全氟磺酸聚合物(PFSA)的油墨(ink)组合物形成。例如，在质子交换膜燃料电池的电极层制造中，PFSA通常添加到Pt/C催化剂油墨中以给分散的Pt催化剂纳米颗粒提供质子传导性，以及提供多孔碳网络的结合。传统的燃料电池催化剂将碳黑与碳表面上的钼沉积物，以及离聚物组合。碳黑提供(部分地)高表面积的导电基材。钼沉积物提供了催化剂性能，并且离聚物提供了质子传导组分。电极由包含碳黑催化剂和离聚物的油墨形成，它们通过干燥结合形成电极层。虽然目前制造离子导电膜的技术效果相当不错，但仍然有需要改进的地方。
[0006]因此，本发明提供了制造可用于燃料电池应用的膜的改进方法。
【发明内容】
[0007]本发明通过在至少一个实施方式中提供制造用于燃料电池的金属电极组件的方法解决了现有技术中的一个或多个问题。该金属电极组件包括阴极催化剂层、阳极催化剂层以及设置在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间的离子导电膜。该离子导电层包括其中吸收(imbibe)有第一聚合物的聚苯硫醚垫(mat),该聚苯硫醚垫包括含聚苯硫醚结构。
[0008]在另一实施方式中，提供了形成离子导电膜的方法。该方法包括将包含聚苯硫醚的树脂与水溶性载体树脂合并以形成树脂混合物的步骤。将该树脂混合物成形以形成成形的树脂混合物，其具有分散在载体树脂中的含聚苯硫醚结构。将该成形的树脂混合物与水接触，以从载体树脂中分离含聚苯硫醚结构。任选地将该含聚苯硫醚结构磺化。将该含聚苯硫醚结构形成为垫，然后使它吸收第一聚合物。
[0009]具体地，本发明涉及以下方面的技术方案:
? 1.用于燃料电池的金属电极组件，所述金属电极组件包括:
阴极催化剂层；
阳极催化剂层；和
设置在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间的离子导电膜，所述离子导电层包括其中吸收有第一聚合物的聚苯硫醚垫，该聚苯硫醚垫包括含聚苯硫醚结构。
[0010].2.根据方面I所述的金属电极组件，其中所述含聚苯硫醚结构选自纤维、珠粒、球体和长圆形体。
[0011].3.根据前述方面中任一项所述的金属电极组件，其中所述聚苯硫醚结构包含生质子基团。
[0012].4.根据方面3所述的金属电极组件，其中所述生质子基团是-S02X、-PO3H2或-C0X，其中X是-0H、卤素或酯。
[0013].5.根据前述方面中任一项所述的金属电极组件，其中所述含聚苯硫醚结构具有约5纳米至约10微米的平均空间尺寸。
[0014].6.根据前述方面中任一项所述的金属电极组件，其中所述离子导电膜具有约5微米至约50微米的平均厚 度。
[0015].7.根据前述方面中任一项所述的金属电极组件，其中所述第一聚合物选自全氟磺酸聚合物、包含全氟环丁基的聚合物及它们的组合。
[0016].8.根据方面7所述的金属电极组件，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单元和基于四氟乙烯的聚合单元的共聚物，所述全氟乙烯基化合物表示为:
CF2=CF- (OCF2CFX1) m-0r- (CF2) q-S03H,
其中m表示O到3的整数，q表示I到12的整数,r表示O或I,且X1表示氟原子或三
氟甲基。
[0017].9.根据方面7所述的金属电极组件，其中所述包含全氟环丁基的聚合物包括聚合物链段，其包含聚合物链段1:
【权利要求】
1.用于燃料电池的金属电极组件，所述金属电极组件包括: 阴极催化剂层； 阳极催化剂层；和 设置在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间的离子导电膜，所述离子导电层包括其中吸收有第一聚合物的聚苯硫醚垫，该聚苯硫醚垫包括含聚苯硫醚结构。
2.根据权利要求1所述的金属电极组件，其中所述含聚苯硫醚结构选自纤维、珠粒、球体和长圆形体。
3.根据权利要求1所述的金属电极组件，其中所述聚苯硫醚结构包含生质子基团。
4.根据权利要求3所述的金属电极组件，其中所述生质子基团是-S02X、-P03H2或-COX，其中X是_0H、卤素或酯。
5.根据权利要求1所述的金属电极组件，其中所述第一聚合物选自全氟磺酸聚合物、包含全氟环丁基的聚合物及它们的组合。
6.根据权利要求5所述的金属电极组件，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单元和基于四氟乙烯的聚合单元的共聚物，所述全氟乙烯基化合物表示为:
7.根据权利要求5所述的金`属电极组件，其中所述包含全氟环丁基的聚合物包括聚合物链段，其包含聚合物链段1: Eq P] Ql 卩2 I 其中: E0为具有生质子基团如_S02X、-PO3H2和-COX等的结构部分，且特别是含烃的结构部分； Pp P2 各自独立地不存在或者为-O-、-S-、-so-、-CO-、-SO2-, -NH-, NR2-或-R3-； R2是CV25烷基、CV25芳基或Ci_25亚芳基； R3是C2_25亚烷基、C2_25全氟亚烷基、C2_25全氟烷基醚、C2_25烷基醚或C6_25亚芳基； X为-0H、卤素、酯或
8.一种方法，包括: 将包含聚苯硫醚的树脂与水溶性载体树脂合并以形成树脂混合物； 将所述树脂混合物成形以形成成形的树脂混合物，所述成形的树脂混合物具有位于载体树脂中的含聚苯硫醚结构；将所述成形的树脂混合物与水接触以从载体树脂中分离所述含聚苯硫醚结构； 任选地磺化所述含聚苯硫醚结构； 将所述含聚苯硫醚结构形成为垫；以及 使第一聚合物吸收到所述垫中。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述含聚苯硫醚结构包括选自纤维、珠粒、球体和长圆形体的组分。
10.根据权利要求8·所述的方法，其中所述包含聚苯硫醚的树脂包含生质子基团。
【文档编号】D06M15/00GK103579642SQ201310341261
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年8月7日 优先权日:2012年8月7日
【发明者】J.米切尔, L.邹, T.J.富勒 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司