双层ePTFE聚合电解质膜制造技术

双层ePTFE聚合电解质膜。提供了用于燃料电池应用的支撑膜和膜电极组件，所述支撑膜包括第一膨体聚四氟乙烯支撑体和第二膨体聚四氟乙烯支撑体。第一和第二膨体聚四氟乙烯支撑体各自具有直径大约0.1至大约1微米的孔隙和大约4至12微米的厚度。所述支撑膜还包括离子传导层，所述离子传导层粘附到所述第一膨体聚四氟乙烯支撑体和所述第二膨体聚四氟乙烯支撑体上使得所述膜具有大约10至25微米的厚度。

【技术实现步骤摘要】
双层ePTFE聚合电解质膜
在至少一个方面，本专利技术涉及用于燃料电池的机械上耐久的聚合电解质膜。
技术介绍
在许多应用中，燃料电池被用作电源。特别是，燃料电池被建议用于汽车以取代内燃机。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”)在阳极和阴极之间提供离子传输。在质子交换膜型的燃料电池中，氢作为燃料被供给至阳极，并且氧作为氧化剂被供给至阴极。氧可以是纯形式(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个面上具有阳极催化剂，并且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机织石墨、石墨化片或碳纸形成，以使燃料和氧化剂能够分别分散在面对燃料供给电极和氧化剂供给电极的膜表面上。每个电极具有负载在碳粒子上的细分散的催化剂粒子(例如铂粒子)，以促进阳极处氢的氧化和阴极处氧的还原。质子从阳极穿过离子传导性聚合物膜流到阴极，在阴极处与氧结合形成水，水从电池中流出。MEA夹在一对多孔气体扩散层(GDL)之间，它们进而又夹在一对无孔导电元件或导电板之间。该板充当了阳极和阴极的集电器，并且包含形成于其中的合适的通道和开口，用于将燃料电池的气态反应物分配到相应的阳极和阴极催化剂的表面上。为了高效地产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、质子传递性的、不导电的和不透气的。在典型的应用中，许多单个燃料电池以堆叠体的形式布置，以便提供高电力水平。在某些现有技术的燃料电池中，复合膜或支撑膜(supportedmembrane)被用于所述聚合物膜。这种支撑膜提供某些机械稳定性方面的改进。尽管现有技术的膜能很好地工作，但是这些膜利用了厚度超过20微米的支撑体。这种厚支撑体给性能带来不利影响并具有相当的各向异性。用ePTFE薄单层制成的膜很容易短路。因此，需要具有改进的燃料电池离子传导特性的膜。
技术实现思路
通过提供用于燃料电池的支撑膜，本专利技术解决了现有技术的至少一个问题。所述支撑膜包括第一膨体聚四氟乙烯支撑体和第二膨体聚四氟乙烯支撑体。第一和第二膨体聚四氟乙烯支撑体各自具有直径大约0.1至大约1微米的孔隙和大约4至12微米的厚度。所述支撑膜还包括离子传导性聚合物，所述离子传导性聚合物吸入到所述第一膨体聚四氟乙烯支撑体和所述第二膨体聚四氟乙烯支撑体中使得所述膜具有大约10至25微米的厚度。在另一个实施例中，提供了包含上述支撑膜的用于燃料电池的膜电极组件。所述膜电极组件包括具有第一侧和第二侧的支撑膜。所述支撑膜包括第一膨体聚四氟乙烯支撑体和第二膨体聚四氟乙烯支撑体。第一和第二膨体聚四氟乙烯支撑体各自具有直径大约0.1至大约1微米的孔隙和大约4至12微米的厚度。所述支撑膜还包括离子传导性聚合物，所述离子传导性聚合物吸入到所述第一膨体聚四氟乙烯支撑体和所述第二膨体聚四氟乙烯支撑体中使得所述膜具有大约10至25微米的厚度。所述膜电极组件还包括设置在质子传导层的第一侧上的阳极催化剂层、以及设置在质子传导层的第二侧上的阴极催化剂层。特别地，本专利技术提供以下方面的技术方案：1.燃料电池的支撑膜，所述支撑膜包括：第一膨体聚四氟乙烯支撑体，其具有直径大约0.1至大约1微米的孔隙和大约4至12微米的厚度；第二膨体聚四氟乙烯支撑体，其具有直径大约0.1至大约1微米的孔隙和大约4至12微米的厚度；以及离子传导性聚合物，其吸入到所述第一膨体聚四氟乙烯支撑体和所述第二膨体聚四氟乙烯支撑体中使得所述膜具有大约10至25微米的厚度。2.根据方面1的支撑膜，其中所述第一膨体聚四氟乙烯支撑体和所述第二膨体聚四氟乙烯支撑体各自独立地具有大约0.15至大约0.4g/cm3的密度。3.根据上述方面中任一项的支撑膜，其中所述第一膨体聚四氟乙烯支撑体和所述第二膨体聚四氟乙烯支撑体各自独立地具有大约0.18至大约0.22g/cm3的密度。4.根据上述方面中任一项的支撑膜，其中所述离子传导性聚合物包括多个生质子基团。5.根据上述方面中任一项的支撑膜，其中所述生质子基团是SO2Y、PO3H2和COY，并且Y是-OH、卤素或酯。6.根据上述方面中任一项的支撑膜，其中所述离子传导性聚合物是全氟磺酸聚合物。7.根据上述方面中任一项的支撑膜，其中所述离子传导性聚合物具有以下通式：CF2＝CF-(OCF2CFX1)m-Or-(CF2)q-SO3H其中m表示从0至3的整数，q表示从1至12的整数，r表示0或1，且X1表示氟原子或三氟甲基和基于四氟乙烯的聚合单元。8.根据上述方面中任一项的支撑膜，其中所述离子传导性聚合物是全氟环丁基聚合物。9.根据上述方面中任一项的支撑膜，其中所述离子传导性聚合物包括具有以下结构式的全氟环丁基基团：或10.用于燃料电池的膜电极组件，所述膜电极组件包括：支撑膜，其具有第一侧和第二侧，所述支撑膜包括：第一膨体聚四氟乙烯支撑体，其具有直径大约O.1至大约1微米的孔隙和大约4至12微米的厚度；第二膨体聚四氟乙烯支撑体，其具有直径大约0.1至大约1微米的孔隙和大约4至12微米的厚度；以及离子传导性聚合物，其吸入到所述第一膨体聚四氟乙烯支撑体和所述第二膨体聚四氟乙烯支撑体中使得所述膜具有大约10至25微米的厚度；设置在质子传导层的第一侧上的阳极催化剂层；以及设置在质子传导层的第二侧上的阴极催化剂层。附图说明根据具体描述和附图，可以更充分地理解本专利技术的示例性实施方式，其中：图1是包含具有两个薄支撑层的支撑膜的燃料电池的示意图；图2是支撑膜的截面示意图；图3是描述用于形成支撑膜的方法的流程图；图4提供具有夹在两个PFSA表皮层之间的含PFCB离聚物层和D1326，ePTFE支撑层的膜的截面光学图像；图5提供了具有含PFCB层的膜的截面扫描电镜(SEM)图像，其中两个NBePTFE支撑层浸渍有PFSA离聚物；图6提供在20％至100％的相对湿度下，1层ePTFE支撑的(PFCB/D1326)和2层ePTFE支撑的(PFCB/2NB)PFCB膜的面内质子电导率；以及图7提供了在55％RHout、2.0/1.8(H2/空气)化学计量、150kPa、95℃，50cm2的活性催化剂面积，以及阴极上为0.4mgPt/cm2且阳极上为0.05mgPt/cm2的条件下，PFCB/D1326和PFCB/2NB膜的小尺寸燃料电池极化曲线。具体实施方式现在将详细提及本专利技术目前优选的组合物，实施方案和方法，其构成了专利技术人目前已知的实践本专利技术的最佳模式。附图不必是按照比例绘制的。但是，应当理解所公开的实施方案仅仅是本专利技术的示例，本专利技术可以各种不同的形式和可选择的形式来实施。所以，本文所公开的具体细节不应解释为是限制性的，而仅仅是作为本专利技术任何方面的代表性基础和/或作为教导本领域技术人员以各种方式使用本专利技术的代表性基础。除了在实施例中或者在明确指示之处外，在描述本专利技术最宽的范围时，本说明书中表示反应和/或用途的材料或者条件的量的所有数量应理解为被措词“大约”所修饰。在所述的数值界限内的实践通常是优选的。同样，除非另有明确的相反指示：百分比、“份数”和比值是以重量计的；术语“聚合物”包括“低聚物”、“共聚物”、“三聚物”等；一组或一类材料对于本专利技术相关的给本文档来自技高网...

【技术保护点】
燃料电池的支撑膜，所述支撑膜包括：第一膨体聚四氟乙烯支撑体，其具有直径大约0.1至大约1微米的孔隙和大约4至12微米的厚度；第二膨体聚四氟乙烯支撑体，其具有直径大约0.1至大约1微米的孔隙和大约4至12微米的厚度；以及离子传导性聚合物，其吸入到所述第一膨体聚四氟乙烯支撑体和所述第二膨体聚四氟乙烯支撑体中使得所述膜具有大约10至25微米的厚度。

【技术特征摘要】
2012.09.14 US 13/617,7581.燃料电池的支撑膜，所述支撑膜包括：第一膨体聚四氟乙烯支撑体，其具有直径0.1至1微米的孔隙和4至12微米的厚度；第二膨体聚四氟乙烯支撑体，其具有直径0.1至1微米的孔隙和4至12微米的厚度；以及离子传导性聚合物，其吸入到所述第一膨体聚四氟乙烯支撑体和所述第二膨体聚四氟乙烯支撑体中使得所述膜具有10至25微米的厚度。2.根据权利要求1的支撑膜，其中所述第一膨体聚四氟乙烯支撑体和所述第二膨体聚四氟乙烯支撑体各自独立地具有0.15至0.4g/cm3的密度。3.根据权利要求1或2的支撑膜，其中所述第一膨体聚四氟乙烯支撑体和所述第二膨体聚四氟乙烯支撑体各自独立地具有0.18至0.22g/cm3的密度。4.根据权利要求1或2的支撑膜，其中所述离子传导性聚合物包括多个生质子基团。5.根据权利要求4的支撑膜，其中所述生质子基团是SO2Y、PO3H2和COY，并且Y是-OH。6.根据权利要求1或2的支撑膜，其中所述离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·邹，T·J·富勒，M·R·谢内维斯，
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：美国;US