专利名称：多层聚电解质膜的制作方法
技术领域：
在至少一个方面，本发明涉及用于燃料电池的离子导电膜，特别是具有多层结构的离子导电膜。
背景技术：
在很多应用中燃料电池被用作电力能源。特别地，提出在汽车中使用燃料电池以替代内燃机。通常使用的燃料电池设计使用固态聚合物电解质(“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，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(02和队的混合物)AEM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)形成以使燃料和氧化剂能够分散在分别面向燃料和氧化剂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夹在一对多孔气体扩散层(“⑶L”)之间，这对⑶L又夹在一对无孔的导电元件或板之间。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口。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，燃料电池以许多独立燃料电池组(fuel cell stack)的阵列(arrays)形式提供以提供大量电力 。尽管在这些燃料电池中使用的膜工作得很好，现有技术的膜仍然存在涉及稳定性、强度和成本的缺点。因此，燃料电池的应用需要改善的离子交换膜。发明概述通过为燃料电池应用提供多层聚电解质膜，本发明解决现有技术中的一个或多个问题。所述膜包括第一含全氟环丁基的层，该层包括具有全氟环丁基基团的聚合物。所述的第一层是呈典型平面的，具有第一主面(major side)和第二主面，在其上分布有额外的层。所述膜也包括在第一层的第一主面上分布的第一 PFSA层，以及在第一层的第二要面上分布的第二 PFSA层。在另一个实施方式中，提供了用于燃料电池的多层聚电解质膜。所述膜包括第一含全氟环丁基的层，该层包括具有全氟环丁基基团的聚合物。典型地，所述第一全氟环丁基层具有第一主面和第二主面。所述膜进一步包括在第一全氟环丁基层的第一主面上分布的支撑层。在另一个实施方式中，提供了形成多层聚电解质膜的方法。所述方法包括由液体组合物中的PFCB固体沉积第一含全氟环丁基的层。在随后的步骤中，由液体组合物中的PFSA固体沉积第一含PFSA的层。第一含PFSA的层分布在第一含全氟环丁基的层的第一主面上。本发明包括以下方面:1.用于燃料电池的多层聚电解质膜，所述膜包含:第一含全氟环丁基的层，其包含具有全氟环丁基基团的聚合物，所述第一含全氟环丁基的层具有第一主面和第二主面；以及第一 PFSA层，其包含PFSA聚合物，第二层分布在所述第一层的第一主面上。2.根据方面I的膜，进一步包含第二 PFSA层，其包含PFSA聚合物，所述第二 PFSA层分布在所述第一层的第二主面上。3.根据方面I所述的膜，进一步包含支撑层，其与含全氟环丁基的层、第一PFSA层或第二 PFSA层中的至少一个接触。4.根据方面2所述的膜，其中所述支撑层是膨体聚四氟乙烯支撑。5.根据方面2所述的膜，其中支撑接触并且至少部分浸入到所述含全氟环丁基的层和/或所述第一 PFSA层中。6.根据方面2所述的膜，其中所述支撑接触并且至少部分浸入所述第一 PFSA层中。7.根据方面2所述的膜，其中所述支撑接触并且至少部分浸入到所述第二 PFSA层中。 8.根据方面2所述的 膜，其中所述第一含全氟环丁基的层进一步包含含氟弹性体。9.根据方面I所述的膜，其中所述全氟环丁基基团是:
权利要求
1.用于燃料电池的多层聚电解质膜，所述膜包含: 第一含全氟环丁基的层，其包含具有全氟环丁基基团的聚合物，所述第一含全氟环丁基的层具有第一主面和第二主面；以及 第一 PFSA层，其包含PFSA聚合物，第二层分布在所述第一层的第一主面上。
2.根据权利要求1的膜，进一步包含第二PFSA层，其包含PFSA聚合物，所述第二 PFSA层分布在所述第一层的第二主面上。
3.根据权利要求1所述的膜，进一步包含支撑层，其与含全氟环丁基的层、第一PFSA层或第二 PFSA层中的至少一个接触。
4.根据权利要求2所述的膜，其中所述支撑层是膨体聚四氟乙烯支撑。
5.根据权利要求2所述的膜，其中所述第一含全氟环丁基的层进一步包含含氟弹性体。
6.根据权利要求1所述的膜，其中所述全氟环丁基基团是:
7.根据权利要求1所述的膜，其中所述第一层包含聚合物链段I和2:
8.根据权利要求1所述的膜，其中所述第一层包含聚合物链段3和4:
9.根据权利要求1所述的膜，其中所述第一层包含聚合物链段5和6:E1 (SO2X) ,-P1-Q1-P2 5 E2_P3_Q2_P4 6 它们通过连接基L1连接以形成聚合单元7和8:
10.根据权利要求1所述的膜，其中所述第一层包含聚合物链段9和10:E1 (SO2X) ,-P1Q1-P2 9E2(SO2X)f-P3 10其中: E1, E2是含芳基或脂族基团的基团，其中E1和E2中的至少一个包含用-SO2X取代的芳基; X是-0H,齒素，酯，或
全文摘要
用于燃料电池应用的多层聚电解质膜，其包括第一含全氟环丁基的层，该层包含具有全氟环丁基基团的聚合物。所述第一层是典型平面的，具有第一主面和第二主面，在其上分布着额外的层。所述膜也包括分布在所述第一层的第一主面上的第一PFSA层，以及分布在所述第一层的第二主面上的第二PFSA层。
文档编号H01M8/10GK103247815SQ20131008841
公开日2013年8月14日 申请日期2013年2月1日 优先权日2012年2月2日
发明者L·邹, S·C·穆斯, T·J·富勒 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司