防止PEM中介质击穿的聚烯烃载体制造技术

本发明专利技术涉及防止PEM中介质击穿的聚烯烃载体。包括第一催化剂层和第二催化剂层的燃料电池。将离子传导膜插入在第一和第二催化剂层之间。所述离子传导层包括聚烯烃载体结构和至少部分地透入所述聚烯烃载体结构的离子传导聚合物。一组导电流场板与所述第一和第二催化剂层连通。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于燃料电池应用的聚烯烃负载的离子传导膜。
技术介绍
燃料电池在许多应用领域用作电源。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”)膜或质子交换膜(“PEM”)以提供阳极与阴极之间的离子传输，同时还充当电绝缘体。在质子交换膜型燃料电池中，氢作为燃料供应给阳极，氧作为氧化剂供应给阴极。 氧可以是纯氧(O2)或空气形式(O2和N2的混合物)。PEM燃料电池典型地具有膜电极组件 (“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燃料电池的阳极层和阴极层由多孔传导性材料，如编织石墨、石墨化片材或碳纸，形成以使燃料能够分散在朝向燃料供给电极的膜表面上。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传导聚合物膜流向阴极，在此它们与氧结合形成水，水从电池中排出。典型地，离子传导聚合物膜包括全氟磺酸(PFSA)离聚物。MEA夹在一对多孔气体扩散层(“⑶L”)之间，这对⑶L又夹在一对导电元件或板之间。该板充当阳极和阴极的集流器，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。为了有效地产生电力，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、可传输质子的、不导电的和不透气的。 在典型用途中，燃料电池以堆中的许多单个燃料电池的阵列形式提供以提供大量电力。由于聚合电解质膜必须充当质子导体且同时充当电绝缘体，该膜的介电性质受到高度关注。材料的绝缘强度是材料电绝缘性质的量度并典型地以千伏/毫米报道。该数值指示穿过所述材料导电所需要的电压。在操作燃料电池时，PEM的介质击穿导致起自电短路的灾害性破坏并在膜和不锈钢板两者中引起熔透孔。该破坏模式在以前已经于燃料电池中运行并且随后在关闭和启动操作条件期间干透的膜中最为明显。此外，燃料电池逆转条件尤其成问题。还没有在燃料电池中使用的聚合电解质膜典型地在低于3千伏/毫米时不显示介质击穿。相反，以前在燃料电池中使用的膜在0. 1-0. 2千伏/毫米显示出介质击穿。 此外，聚合电解质膜易于在已经于燃料电池中使用后遭受电短路。该缺陷关系到燃料电池系统中的耐久性失效机理。多孔聚乙烯分隔物目前用来在锂离子电池组中通过在热点熔化并关闭离子传导来防止短路。因此，需要在于燃料电池系统中使用之后显示出更高介质强度的改进的聚合电解质膜。
技术实现思路
本专利技术通过在至少一个实施方案中提供引入了聚烯烃(例如聚乙烯、聚丙烯、聚 (丁烯)、共聚物、三元共聚物等)负载的离子传导膜的燃料电池解决了现有技术的一个或多个问题。该实施方案的燃料电池包括第一催化剂层和第二催化剂层。将离子传导膜插入在第一和第二催化剂层之间。特有地，所述离子传导层包括聚烯烃(例如聚乙烯)载体结构和至少部分地透入所述聚乙烯载体结构的离子传导聚合物。一组导电流场板与所述第一和第二催化剂层连通。有利地，该实施方案的离子传导膜显示出降低的介质击穿和短路。本专利技术进一步体现在如下方面 1.燃料电池，包括第一催化剂层； 第二催化剂层；插入在所述第一和第二催化剂层之间的离子传导膜，所述离子传导膜包括 聚烯烃载体结构；至少部分地透入所述聚烯烃载体结构的离子传导聚合物；和与所述第一和第二催化剂层连通的一组导电流场板。2.方面1的燃料电池，其中所述离子传导聚合物包括多个给质子基团。3.方面1的燃料电池，其中所述离子传导聚合物包括PFSA聚合物。4.方面1的燃料电池，其中所述离子传导聚合物包括全氟环丁基。5.方面1的燃料电池，其中所述离子传导聚合物为所述离子传导膜总重量的大约 30重量％ -大约98重量％。6.方面1的燃料电池，其中所述聚烯烃载体结构的空隙体积为载体结构总体积的 30体积％ -95体积％。7.方面1的燃料电池，其中所述聚烯烃载体结构包括选自由聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯和其组合组成的组的组分。8.方面1的燃料电池，其中所述离子传导聚合物包括由式1描述的聚合物权利要求1.燃料电池，包括第一催化剂层； 第二催化剂层；插入在所述第一和第二催化剂层之间的离子传导膜，所述离子传导膜包括 聚烯烃载体结构；至少部分地透入所述聚烯烃载体结构的离子传导聚合物；和与所述第一和第二催化剂层连通的一组导电流场板。2.权利要求1的燃料电池，其中所述离子传导聚合物包括多个给质子基团。3.权利要求1的燃料电池，其中所述离子传导聚合物包括PFSA聚合物。4.权利要求1的燃料电池，其中所述离子传导聚合物包括全氟环丁基。5.权利要求1的燃料电池，其中所述离子传导聚合物为所述离子传导膜总重量的大约 30重量％ -大约98重量％。6.权利要求1的燃料电池，其中所述聚烯烃载体结构的空隙体积为载体结构总体积的 30体积％ -95体积％。7.权利要求1的燃料电池，其中所述聚烯烃载体结构包括选自由聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯和其组合组成的组的组分。8.权利要求1的燃料电池，其中所述离子传导聚合物包括由式1描述的聚合物Eq' “ P| 'Q| ‘1其中E0是具有给质子基团例如_S02X、-PO3H2, -COX等的部分；P1, P2 各自独立地为不存在，-0-，-S-, -so-，-co-，-SO2-, -NH-, NR2-,或-R3-；R2是CV25烷基、CV25芳基或Cp25亚芳基；R3是CV25亚烷基、CV25全氟亚烷基、全氟烷基醚、烷基醚或Cp25亚芳基； X是-0H、卤素、酯或R4是三氟甲基、C1^25烷基、CV25全氟亚烷基、C1^25芳基或E1 (见下文)；和 Q1是氟化环丁基部分。9.权利要求1的燃料电池，其中所述离子传导聚合物是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0-3的整数，q表示1-12的整数，r表示0或1，以及X1表示氟原子或三氟甲基。10.待插入在燃料电池中的第一催化剂层和第二催化剂层之间的离子传导膜，所述离子传导膜包括聚烯烃载体结构； 至少部分地透入所述聚烯烃载体结构的离子传导聚合物；和与所述第一和第二催化剂层连通的一组导电流场板。全文摘要本专利技术涉及防止PEM中介质击穿的聚烯烃载体。包括第一催化剂层和第二催化剂层的燃料电池。将离子传导膜插入在第一和第二催化剂层之间。所述离子传导层包括聚烯烃载体结构和至少部分地透入所述聚烯烃载体结构的离子传导聚合物。一组导电流场板与所述第一和第二催化剂层连通。文档编号H01M2/16GK102163729SQ20101061136公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月29日 优先权日2009年12月29日专利技术者M·R·谢内维斯, S·M·麦金农, S·R·法尔塔, T·J·富勒 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．燃料电池，包括：第一催化剂层；第二催化剂层；插入在所述第一和第二催化剂层之间的离子传导膜，所述离子传导膜包括：聚烯烃载体结构；至少部分地透入所述聚烯烃载体结构的离子传导聚合物；和与所述第一和第二催化剂层连通的一组导电流场板。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：T·J·富勒，S·R·法尔塔，M·R·谢内维斯，S·M·麦金农，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US