[发明专利]具有提高的尺寸稳定性的聚合物电解质膜

说明书

发明领域

[001]具有提高的尺寸稳定性的聚合物电解质膜、制造此类膜的方法以及包含其的燃料电池。

相关申请的相互引用

[002]本申请要求于2005年6月2日提交的美国临时申请60/687,408的优先权，在此以引证的方式将其全部内容并入本文中。

发明背景

[003]燃料电池主要因为它们的无污染特性而成为便携式电子设备、电动车辆以及其他应用中最有希望的电源。在各种燃料电池系统中，基于聚合物电解质膜的燃料电池诸如直流甲醇燃料电池(DMFC)和氢燃料电池，因它们有高的功率密度和高的能量转换效率而引起很大的关注。基于聚合物电解质膜的燃料电池的“核心”是所谓的“膜电极组件”(MEA)，其包括质子交换膜(PEM)、为形成催化剂涂布膜(CCM)而在PEM相对表面上设置的催化剂以及为与催化剂层电接触而设置的一对电极(即阳极和阴极)。

[004]DMFC的质子导电膜是已知的，例如来自E.I.Dupont De Nemours andCompany的Nafion或者来自Dow Chemical的类似产品。然而，这些全氟化烃磺酸酯离聚物产品当用于高温燃料电池应用时有严重的限制。当燃料电池的工作温度超过80℃时，Nafion失去导电性。此外，Nafion有很高的甲醇交换率(crossover rate)，阻止它用在DMFC中。

[005]转让给巴拉尔动力系统(Ballard Power System)的美国专利5,773,480描述了一种由α，β，β-三氟苯乙烯制成的部分氟化的质子导电膜。由于α，β，β-三氟苯乙烯单体的合成工艺复杂以及聚(α，β，β-三氟苯乙烯)的磺化能力较差，导致该膜的缺点之一是其制造成本高。该膜的另外缺点是它非常脆，因此不得不结合到支持基质中。

[006]Kerrres等人的美国专利No.6,300,381和6,194,474公开了一种用于质子导电膜的酸碱二元聚合物共混体系，其中磺化的聚(醚砜)可通过聚(醚砜)的后磺化而制成。

[007]M.Ueda在Journal of Polymer Science，31(1993)：853中公开了磺化的单体用于制备磺化聚(醚砜聚合物)。

[008]McGrath等人的美国专利申请US 2002/0091225 A1使用该方法来制备磺化聚砜聚合物。

[009]离子导电嵌段共聚物公开在PCT/US2003/015351中。

[010]用于燃料电池运行的好的膜需要平衡膜的各种性能。这些性能包括质子导电性、耐燃料性(fuel-resistance)、化学稳定性以及特别是高温应用中燃料交换(fuel crossover)、DMFC的快速起动和耐用性。此外，对膜来说，在燃料工作温度范围内保持其尺寸稳定性是重要的。当暴露于燃料如甲醇时，传统的PEM各向同性溶胀。这种尺寸的改变会由于PEM催化剂界面的失效、密封功能的丧失或者由于燃料电池内的膜移动导致反常的流场分布或其他问题而引起燃料电池的失效。如果由于缺乏燃料而使PEM变干，那么尺寸稳定性的缺乏也会导致燃料电池的不良反应。因此，膜的面内(in-plane)尺寸稳定性在形成用于燃料电池的PEM方面是重要的。

发明概述

[011]尺寸稳定的PEM可通过机械加工各向同性溶胀的PEM来制造。这将PEM转换成各向异性溶胀的PEM。

[012]所述方法包括热压具有第一和第二相对平坦膜表面的溶胀离子导电膜以形成各向异性溶胀的PEM。在热压中，溶胀膜的至少第一表面与具有第一和第二面的第一穿孔部件接触。第一面与膜的第一表面的全部或部分接触。穿孔部件的第二面和/或部件中的穿孔任选地与吸收材料接触。这样形成的PEM当暴露于水、甲醇或两者的混合物时具有如其垂直于膜面的各向异性溶胀所表现出的独特面内尺寸稳定性。

[013]所述方法还可以包括使用具有第一和第二面的第二穿孔部件，其中所述第一面与膜的第二表面接触。所述穿孔部件的第二面和/或它的穿孔可以任选地与吸收材料接触。

[014]膜可以是由流延(casting)含离子导电聚合物的溶液制成的材料的连续网状物(web)。膜网状物应当含有足够的溶剂以便膜处在溶胀状态。当使用膜网状物时，优选地，穿孔部件是穿孔滚筒(cylinder)，当膜连续通过滚筒时，滚筒将溶胀膜热压。