专利名称：具有层状形貌的离子交换膜及其制造方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池离子交换膜和包括这种膜的燃料电池膜电极组件(fuel cell membrane electrode assembly)。
背景技术：
质子传导聚合物，如磺化含氟聚合物NAFION 已用作燃料电池中的固体离子交换 膜材料。尽管此类膜材料相当好地发挥作用，但高要求的燃料电池用途，如汽车燃料电池还 要求显著改进。在此类燃料电池用途中，燃料电池需要在长产品寿命周期内在宽范围的工 作条件下的大电流密度。这些燃料电池中的膜必须具有在宽的湿度和温度范围内的高质子 传导率和极小尺寸变化。如果实现充足的水合程度和高离子交换容量，许多无规共聚物可 提供高质子传导率。但是，在高水合程度和高相对湿度下，无规共聚物不能避免过度膜溶 胀。无规共聚物难以在宽范围的燃料电池工作条件下同时提供高质子传导率和优异的机械 稳定性。某些类型的嵌段共聚物由于它们形成具有互连疏水域和质子传导域的不同形貌的 能力而被公开为优于无规共聚物。可以想到，一些所述嵌段共聚物可能在宽范围的燃料电 池工作条件下既提供高质子传导率又提供高的机械稳定性。但是，在将嵌段共聚物加工成 膜时，该嵌段共聚物不自发形成最合意的形貌以提供最佳燃料电池运行所需的膜性质。此 外，尚未教导或公开最合意的形貌(morphology)。因此，需要改进的制造离子传导膜的方法。
发明内容
本发明通过在至少一个实施方案中提供制造离子交换膜的方法来解决现有技术 的一个或多个问题。此实施方案的方法包括提供形成膜用的包含疏水聚合物链段和极性聚 合物链段的嵌段共聚物。随后将该膜在高于大约40°C的温度在水蒸汽、水或电场中放置足 以形成与两相双连续形貌(包括无序和/或有序形貌)相符的亲水域和疏水域形貌的时间 量。本发明的另一实施方案包括制造离子交换膜的方法。此实施方案的方法包括提供包含 疏水聚合物链段和极性聚合物链段的嵌段共聚物，将其溶解或分散在溶剂中以形成树脂混 合物。将该树脂混合物形成薄膜层，随后将其置于两个电极之间。随后将该薄膜加热至高 于大约40°C的温度。通过在所述电极之间施加电势差，对该薄膜层施加电场。从该薄膜层 上除去至少一部分所述溶剂。在再一实施方案中，提供由上述方法制成的离子交换膜。此类离子交换膜在宽范 围的燃料电池工作条件下表现出双连续形貌(bicontinuous morphology)，特别是层状形 貌(lamellar morphology)、高质子传导率和好的机械稳定性。本发明进一步体现在如下方面1.制造离子交换膜的方法，包括a)提供包含疏水聚合物链段和极性聚合物链段的嵌段共聚物；b)形成包含所述嵌段共聚物和溶剂的膜；和
C)将所述膜在高于大约40°C的温度在水蒸汽、水或电场中放置足以形成双连续 形貌的时间量。2.方面1的方法，其中所述离子型聚合物链段包含磺酸基。3.方面1的方法，其中所述嵌段共聚物包含环丁基部分。4.方面1的方法，其中所述嵌段共聚物包含聚合物链段1和2 :[E1(Z1)J-P1-Q1-P2 1E2-P3-Q2-P42其中Z1是给质子基团；E1是含芳基的部分；E2是未磺化的含芳基和/或含脂族基团的部分；X是-0H、卤素、酯或
权利要求
1.制造离子交换膜的方法，包括a)提供包含疏水聚合物链段和极性聚合物链段的嵌段共聚物；b)形成包含所述嵌段共聚物和溶剂的膜；和c)将所述膜在高于大约40°C的温度在水蒸汽、水或电场中放置足以形成双连续形貌 的时间量。
2.权利要求1的方法，其中所述离子型聚合物链段包含磺酸基。
3.权利要求1的方法，其中所述嵌段共聚物包含环丁基部分。
4.权利要求1的方法，其中所述嵌段共聚物包含聚合物链段1和2 [E1 (Z1)J-P1-Q1-P2 1E2_P3_Q2_P42其中Z1是给质子基团； E1是含芳基的部分；E2是未磺化的含芳基和/或含脂族基团的部分； X是-0H、卤素、酯或
5.权利要求1的方法，其中所述嵌段共聚物包括聚合物链段3和4
6.权利要求1的方法，其中所述嵌段共聚物包含聚合物链段5和 E1 (SO2X) ,-P1-Q1-P2 5E2-P3-Q2-P46它们通过连接基L1连接以形成聚合物单元7和8
7.权利要求1的方法，其中所述嵌段共聚物包括聚合物链段9和10
8.制造离子交换膜的方法，包括a)提供包含疏水聚合物链段和极性聚合物链段的嵌段共聚物；b)将所述嵌段共聚物溶解或分散在溶剂中以形成树脂混合物；c)由所述树脂混合物形成薄膜层；d)将所述薄膜层置于两个平面电极之间；e)将所述薄膜层加热至高于大约40°C的温度；f)在所述平面电极之间施加电压；和g)除去该薄膜层中的至少一部分所述溶剂。
9.权利要求8的方法，其中所述极性聚合物链段包含磺酸基。
10.权利要求8的方法，其中所述嵌段共聚物包含疏水全氟环丁烷醚聚合物链段和磺 化亲水全氟环丁烷醚聚合物链段。
全文摘要
本发明涉及具有层状形貌的离子交换膜及其制造方法，尤其涉及由包含疏水聚合物链段和极性聚合物链段的嵌段共聚物制备离子交换膜。通过将薄膜层在高于大约40℃的温度在水蒸汽、水或电场中放置足以形成双连续形貌的时间量，形成该离子交换膜。也由包含嵌段共聚物和溶剂的薄膜层形成该离子交换膜。将该薄膜层在升高的温度下置于电场中并在其中干燥。由此将该薄膜层转化成具有双连续形貌的离子交换膜。根据这些方法制成的离子交换膜表现出改进的机械和电化学性质。
文档编号C08J5/22GK102002168SQ20101026936
公开日2011年4月6日 申请日期2010年8月31日 优先权日2009年8月31日
发明者M·R·谢内维斯, S·M·麦金农, T·J·富勒 申请人:通用汽车环球科技运作公司