专利名称：聚合电解质膜的聚(甲基丙烯酸甲酯)添加剂的制作方法
技术领域：
本公开大体上涉及的领域是聚合物电解质和燃料电池。背景
燃料电池在许多应用领域中用作电源。特别建议在汽车中使用燃料电池代替内燃机。常用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交換膜(“PEM”)以在充当电绝缘体的同时提供阳极与阴极之间的离子迁移。在质子交換膜型燃料电池中，氢作为燃料供应至阳极，氧作为氧化剂供应至阴极。氧可以是纯氧(O2)或空气(O2和N2的混合物)。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面上具有阳极催化剂，在相反面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极和阴极层由多孔导电材料，如织造石墨(woven graphite)、石墨化片材或碳纸(carbon paper)形成以使燃料能够分散在面向燃料供给电极的膜的表面上。各电极具有负载在碳粒子上的细碎催化剂粒子(例如钼粒子)以促进氢在阳极处的氧化和氧在阴极处的还原。质子从阳极穿过离子导电聚合物膜流向阴极，在此它们与氧结合形成水，水从电池中排出。通常，该离子导电的聚合物膜包括全氟磺酸(PESA)离聚物。MEA夹在ー对多孔气体扩散层(“⑶L”)之间，这对⑶L又夹在ー对导电元件或板之间。该板充当阳极和阴极的集流器(current collector),并含有在其中形成的用于将该燃料电池的气态反应物分配在各自的阳极和阴极催化剂表面上的适当的通道和开ロ。为了有效发电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄、化学稳定、可传输质子、不导电和不透气。在典型用途中，燃料电池以成组的许多独立燃料电池的阵列形式提供以提供大量电力。聚合物电解质在决定PEM燃料电池的效率中起到重要作用。为了实现最佳性能，该聚合物电解质必须在高和低 相対湿度下都保持高离子电导率和机械稳定性。该聚合物电解质还需要为长产品寿命和稳健性而具有优异的化学稳定性。尽管用于燃料电池的聚合膜合理地有效工作，但化学降解仍是ー个问题。因此，需要改进的离子导电聚合物组合物和由其形成的膜。发明概述
本发明通过在至少ー个实施方案中为燃料电池提供离子导电聚合膜来解决现有技术的ー个或多个问题。该离子导电聚合物具有给质子基团和聚(甲基丙烯酸甲酷)。在另ー实施方案中，提供包含如上所述的离子导电膜的用于燃料电池的膜电极组件。该膜电极组件包括阳极层、阴极层和位于阳极层与阴极层之间的离子导电膜。该离子导电膜包含具有给质子基团和聚(甲基丙烯酸甲酷)的离子导电聚合物。有利地，聚甲基丙烯酸甲酯可添加到该离子导电聚合物中而不显著损失燃料电池性质并同时提高化学耐久性。本发明还包含以下方面1.燃料电池的膜电极组件，所述膜电极组件包含
阳极层；
阴极层；位于该阳极层与该阴极层之间的离子导电膜，所述离子导电膜包含
具有给质子基团的离子导电聚合物；和聚(甲基丙烯酸甲酷)。2.方面I的膜电极组件，其中所述给质子基团包含选自-S02x、-PO3H2, -COX及其组合的组分，且X是-0H、卤素或酷。3.方面I的膜电极组件，其中所述聚(甲基丙烯酸甲酷)以小于该离子导电膜总
重量的大约30重量％的量存在。4.方面I的膜电极组件，其中所述聚(甲基丙烯酸甲酷)以该离子导电膜总重量的大约I至大约20重量％的量存在。5.方面I的膜电极组件，其中所述具有给质子基团的离子导电聚合物包含选自全氟磺酸聚合物、烃-基离聚物、磺化聚醚醚酮聚合物、磺化全氟环丁烷聚合物及其组合的组分。6.方面I的膜电极组件，其中所述离子导电聚合物包含含有基于下式所示的全氟こ烯基化合物的聚合单元和基于四氟こ烯的聚合单元的共聚物
CF2=CF- (OCF2CFX1) m-0r- (CF2) ,-SO3H
其中m代表0至3的整数，q代表I至12的整数，！■代表0或1，X1代表氟原子或三氟甲基。7.方面I的膜电极组件，其中所述离子导电膜进ー步包含含氟弾性体。8.方面7的膜电极组件，其中所述含氟弾性体包含选自聚(偏ニ氟こ烯)、聚(四氟乙烯)、聚(六氟丙烯)、聚(氟乙烯)、聚(氯三氟乙烯)、聚(全氟甲基乙烯基醚)、聚(三氟乙烯)及其组合的组分。9.方面7的膜电极组件，其中所述含氟弾性体以该离子导电膜总重量的大约1重
量％至大约40重量％的量存在。10.方面I的膜电极组件，其中所述具有给质子基团的离子导电聚合物包括含环丁基的聚合物，其具有包含聚合物链段I的聚合物链段
权利要求
1.燃料电池的膜电极组件，所述膜电极组件包含 阳极层； 阴极层； 位于该阳极层与该阴极层之间的离子导电膜，所述离子导电膜包含具有给质子基团的离子导电聚合物；和聚(甲基丙烯酸甲酯)。
2.权利要求1的膜电极组件，其中所述给质子基团包含选自_S02X、-PO3H2,-COX及其组合的组分，且X是-0H、卤素或酯。
3.权利要求1的膜电极组件，其中所述聚(甲基丙烯酸甲酯)以该离子导电膜总重量的大约I至大约20重量％的量存在。
4.权利要求1的膜电极组件，其中所述具有给质子基团的离子导电聚合物包含选自全氟磺酸聚合物、烃-基离聚物、磺化聚醚醚酮聚合物、磺化全氟环丁烷聚合物及其组合的组分。
5.权利要求1的膜电极组件，其中所述离子导电聚合物包含含有基于下式所示的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 CF2=CF- (OCF2CFX1) m-0r- (CF2) ,-SO3H 其中m代表O至3的整数，q代表I至12的整数，r代表O或1，X1代表氟原子或三氟甲基。
6.权利要求1的膜电极组件，其中所述离子导电膜进一步包含含氟弹性体，其中所述含氟弹性体包含选自聚(偏二氟乙烯)、聚(四氟乙烯)、聚(六氟丙烯)、聚(氟乙烯)、聚(氯三氟乙烯)、聚(全氟甲基乙烯基醚)、聚(三氟乙烯)及其组合的组分，其中所述含氟弹性体以该离子导电膜总重量的大约I重量％至大约40重量％的量存在。
7.权利要求1的膜电极组件，其中所述具有给质子基团的离子导电聚合物包括含环丁基的聚合物，其具有包含聚合物链段I的聚合物链段
8.离子导电膜，其包含 具有给质子基团的离子导电聚合物；和 聚(甲基丙烯酸甲酯) 其中所述离子导电层是平坦的并具有I微米至200微米的厚度。
9.权利要求8的离子导电膜，其中所述离子导电聚合物包含含有基于下式所示的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 CF2=CF- (OCF2CFX1) m-0r- (CF2) ,-SO3H 其中m代表O至3的整数，q代表I至12的整数，r代表O或1，X1代表氟原子或三氟甲基。
10.权利要求8的离子导电膜，其中所述具有给质子基团的离子导电聚合物包括含环丁基的聚合物，其具有包含聚合物链段I的聚合物链段
全文摘要
燃料电池的离子导电膜包括具有给质子基团和聚(甲基丙烯酸甲酯)的离子导电聚合物。特有地，该离子导电层是平坦的并具有1微米至200微米的厚度。膜电极组件包括介于阴极层和阳极层之间的离子导电膜。
文档编号H01M4/86GK103035927SQ201210376360
公开日2013年4月10日 申请日期2012年10月8日 优先权日2011年9月30日
发明者M.R.谢内维斯, T.J.富勒, L.邹 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司