專利名稱：具有低降解性的復(fù)合質(zhì)子傳導(dǎo)膜以及包含其的燃料電池用膜電極組件的制作方法
具有低降解性的復(fù)合質(zhì)子傳導(dǎo)膜以及包含其的燃料電池用膜電極組件
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)將反應(yīng)物，即燃料(如H2)和氧化劑(如O2或空氣)轉(zhuǎn)化以產(chǎn)生電能。PEMFC通常使用位于兩個(gè)電極(即陰極和陽(yáng)極)之間的質(zhì)子傳導(dǎo)性聚合物膜。包括夾在兩個(gè)電極之間的質(zhì)子傳導(dǎo)性聚合物膜的結(jié)構(gòu)稱為膜電極組件(MEA)。MEA的耐久性是固定或運(yùn)輸應(yīng)用中的燃料電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的最重要問(wèn)題之一。對(duì)汽車應(yīng)用而言，需要MEA顯示出約6，000小時(shí)的耐久性。將所述膜用作隔板以防止反應(yīng)物氣體混合并用作將質(zhì)子由陽(yáng)極傳輸至陰極的電解質(zhì)。已將全氟磺酸(PFSA)離聚物(如Nafion#)選作原料以及膜的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ivaf1()n
由具有由SO3H封端的乙烯基醚側(cè)鏈的全氟化主鏈構(gòu)成。]vafi01| 的化學(xué)結(jié)構(gòu)如下所示
權(quán)利要求
1.一種形成包括質(zhì)子交換膜和電極的膜電極組件的方法，所述方法包括 將包含至少兩個(gè)氮原子的添加劑摻入所述膜電極組件的膜中，其中所述添加劑可與金屬離子形成配合物，且所述膜為全氟磺酸膜或烴離聚物膜。
2.如權(quán)利要求I的方法，其中所述添加劑選自小分子、聚合物或其組合。
3.如權(quán)利要求I的方法，其中所述添加劑為選自如下組的小分子
4.如權(quán)利要求I的方法，其中所述添加劑為聚合物且所述至少兩個(gè)氮原子處于該聚合物的主鏈上。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中所述添加選自如下組
6.如權(quán)利要求I的方法，其中所述添加劑為聚合物且所述至少兩個(gè)氮原子處于該聚合物的一個(gè)或多個(gè)側(cè)鏈上。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求I的方法形成的膜電極組件。
8.一種保護(hù)膜電極組件的質(zhì)子交換膜免受羥基進(jìn)攻的方法，包括根據(jù)權(quán)利要求I的方法形成膜電極組件。
9.如權(quán)利要求I的方法，其中將所述添加劑摻入所述膜中包括 將全氟磺酸離聚物分散體或烴離聚物溶液與包含至少兩個(gè)氮原子的添加劑混合以提供離聚物和添加劑混合溶液；和 由所述離聚物和添加劑混合溶液澆鑄膜。
10.一種用于膜電極組件的質(zhì)子交換膜，其包含全氟磺酸或烴離聚物；和 添加劑；其中所述添加劑包含至少兩個(gè)氮原子且可與金屬離子形成配合物。
11.如權(quán)利要求10的膜，其中所述添加劑選自小分子、聚合物或其組合。
12.如權(quán)利要求10的膜，其中所述添加劑以基于所述膜為約0.01-10重量％的量存在。
13.如權(quán)利要求10的膜，其中所述添加劑以基于所述膜為約0.5-2. 0重量％的量存在。
14.一種增強(qiáng)的質(zhì)子傳導(dǎo)膜，其包含 全氟磺酸或烴離聚物；和 多孔聚合物基體； 其中所述多孔聚合物基體包含添加劑，所述添加劑包含至少兩個(gè)氮原子或包含至少兩個(gè)氮原子的化學(xué)單元。
15.一種增強(qiáng)的質(zhì)子傳導(dǎo)膜，其包含 具有添加劑的全氟磺酸或具有添加劑的烴離聚物，以及 多孔聚合物基體， 其中所述添加劑包含至少兩個(gè)氮原子。
16.一種增強(qiáng)的質(zhì)子傳導(dǎo)膜，其包含 具有添加劑的全氟磺酸或具有添加劑的烴離聚物；和 包含添加劑的多孔聚合物基體； 其中所述添加劑包含至少兩個(gè)氮原子。
17.如權(quán)利要求14-16中任一項(xiàng)的增強(qiáng)的質(zhì)子傳導(dǎo)膜，其中所述多孔聚合物基體包含選自如下組的聚合物聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚(偏氟乙烯Co-六氟丙烯)、聚乙烯、聚丙烯、聚(乙烯-Co-丙烯)、聚醚砜、聚醚酮、聚酰亞胺、聚苯并咪唑及其組合。
18.如權(quán)利要求14-16中任一項(xiàng)的增強(qiáng)的質(zhì)子傳導(dǎo)膜，其中所述多孔聚合物基體包含選自如下組的聚合物磺化聚四氟乙烯、磺化聚偏氟乙烯、磺化聚(偏氟乙烯-Co-六氟丙烯)、磺化聚乙烯、磺化聚丙烯、磺化聚(乙烯-CO-丙烯)、磺化聚醚酮、磺化聚醚砜、磺化聚酰亞胺、磺化聚苯并咪唑及其組合。
19.如權(quán)利要求14-16中任一項(xiàng)的增強(qiáng)的質(zhì)子傳導(dǎo)膜，其中所述多孔聚合物基體包含選自如下組的聚合物磷酸化聚四氟乙烯、磷酸化聚偏氟乙烯、磷酸化聚(偏氟乙烯-CO-六氟丙烯)、磷酸化聚乙烯、磷酸化聚丙烯、磷酸化聚(乙烯-CO-丙烯)、磷酸化聚醚酮、磷酸化聚醚砜、磷酸化聚酰亞胺、磷酸化聚苯并咪唑及其組合。
20.如權(quán)利要求I的膜電極組件，其中所述膜電極組件通過(guò)將質(zhì)子傳導(dǎo)膜與陰極和陽(yáng)極電極粘合而制備。
21.如權(quán)利要求I的膜電極組件，其中所述膜電極組件通過(guò)將催化劑涂覆的膜與氣體擴(kuò)散層粘合而制備。
22.—種膜電極組件,其包括 質(zhì)子傳導(dǎo)膜；和 至少一個(gè)電極； 其中所述質(zhì)子傳導(dǎo)膜包含含與金屬離子形成配合物的化學(xué)單元的全氟主鏈或烴離聚物，其中所述化學(xué)單元包含至少兩個(gè)氮原子。
23.如權(quán)利要求22的膜電極組件，其中所述膜電極組件通過(guò)將電極與質(zhì)子傳導(dǎo)膜粘合或通過(guò)將催化劑涂覆的膜與氣體擴(kuò)散層粘合 而制備。
全文摘要
小分子或聚合物添加劑可用于制備膜電極組件以改善其耐久性和燃料電池在較低濕度下的性能。特別地，一種形成包括質(zhì)子交換膜的膜電極組件的方法，包括將包含至少兩個(gè)氮原子的添加劑提供至膜電極組件。
文檔編號(hào)B01D71/06GK102687328SQ201080050903
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日
發(fā)明者J·李, K·王, Y·楊 申請(qǐng)人:戴姆勒股份公司, 福特汽車公司