[发明专利]磺化PPS燃料电池电极

说明书

本发明涉及用于燃料电池应用的改性聚苯硫醚(PPS)纤维。

发明背景

高质量多孔垫用于过滤和许多电子装置例如电池组和燃料电池中。在该装置中，该多孔垫有利地允许气体或溶解在液体中的成分穿过。多孔垫由超纤维、纳米纤维、和微孔薄膜制成。通过在溶剂可溶性聚合物的情况下静电纺丝(electrospinning)制备这些尺寸的纤维。然而，在没有维持高温的情况下在高沸点溶剂中聚烯烃难以形成溶液。通过将这些塑料聚合物的膜或者片上双向拉伸制备多孔聚烯烃。可替换地，在制备工艺期间向聚烯烃片中添加致孔剂，其随后通过溶剂萃取或者使用加热去除。在溶剂可溶性烯烃的情况下可以使用静电纺丝法，其可以在溶液中加工。

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(O₂和N₂的混合物)。质子交换膜(“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)形成以使燃料能够分散在面向燃料供给电极的膜的表面上。典型的，离子导电聚合物膜包括全氟磺酸(PFSA)离聚物。

各催化剂层具有负载在碳颗粒上的细碎催化剂颗粒(例如铂颗粒)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(“GDL”)之间，这对GDL又夹在一对导电流场元件或板之间。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，燃料电池以许多成组的独立燃料电池(fuel cell in stacks)的阵列(arrays)形式提供以提供大量电力。

MEA夹在一对多孔的气体扩散层(＂GDL＂)之间，该气体扩散层位于一对导电流场元件或板之间。板作为阳极和阴极的集电器，并且包含适当的通路和那里形成的开口，以分别在阳极和阴极催化剂的表面上分配燃料电池的气体反应物。为了有效产生电流，PEM燃料电池的聚合物电解膜必须薄，化学稳定，质子传递，不导电并且气体可透过。在典型的应用中，许多单独的燃料电池堆叠系列提供燃料电池，以提供高水平的电能。

在许多燃料电池应用中，电极层由墨水成分组成，其包括贵金属和全氟磺酸聚合物(PFSA)。例如，PFSA典型地被加到质子交换膜燃料电池的电极层结构中的Pt/C催化剂墨水中，以向分散的Pt纳米颗粒催化剂提供质子传导并粘接多孔碳网。传统的燃料电池催化剂将炭黑与离聚物一起与沉积在碳表面上的铂结合。炭黑提供(部分地)高表面积传导基底。铂沉积物提供催化作用，并且离聚物提供质子传导成分。电极由含有炭黑催化剂和离聚物的墨水组成，其在干燥时结合以形成电极层。

在燃料电池技术中气体扩散层具有多面角色。例如，气体扩散层作为扩散器用于反应气体传送到阳极和阴极同时将产物水输送到流场。气体扩散层还传导电子和将在膜电极组件产生的热传送到冷却剂，以及作为柔软的膜电极组件和硬的双极板级之间的缓冲层。尽管，用于使气体扩散层用于燃料电池应用的现有技术工作的相当好，在性质和成本上的改进仍旧是期望的。

相应地，本发明提供了制备在燃料电池应用中有用的多孔垫的改进方法。

发明概述

本发明通过提供在至少一个实施方案中制备用于燃料电池应用的纤维性层的方法解决现有技术的一个或多个问题。所述方法包括将含聚苯硫醚的树脂与水溶性载体树脂结合以形成树脂混合物的步骤。然后将所述树脂混合物挤出以形成有成型的树脂混合物。该成型的树脂混合物包括在载体树脂内的含聚苯硫醚的结构。使成型的树脂混合物与水接触(如洗涤)以便从载体树脂中分离含聚苯硫醚的结构。向含聚苯硫醚结构中加入任选的给质子基团和随后催化剂。