[发明专利]PFCB纳米级纤维

说明书

技术领域

本发明涉及可用在燃料电池应用中的改性的含全氟环丁基纤维，具体地，本发明涉及电极增强件﹑高分子电解质和水蒸气转移膜支撑﹑扩散介质﹑电池隔板和过滤器。

背景技术

高质量的多孔垫被用于过滤和用在许多电子设备，例如，电池和燃料电池中。在这样的设备中，所述多孔垫有利地允许溶解在液体中的气体或组分通过。多孔垫由微米纤维、纳米纤维和微孔膜制成。在溶剂可溶性聚合物的情况下通过静电纺丝来制备这些尺寸的纤维。然而，聚烯烃难以在没有在高沸点溶剂中保持高温的情况下形成溶液。多孔聚烯烃是通过在这些塑性聚合物的膜或者板上双向拉伸制成的。或者，在制造过程中将造孔剂添加到聚烯烃片中，所述造孔剂然后被通过溶剂提取或者利用加热去除。在可以在溶液中加工的溶剂可溶性烯烃的情况下，可使用静电纺丝。

在质子交换膜型燃料电池中，将氢气作为燃料供应给阳极而将氧气作为氧化剂供应给阴极。所述氧气可以为纯的形式的(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)，其中固态聚合物膜在一个面上具有阳极催化剂，而在另外一个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导电材料形成，例如，编织石墨，石墨化片或碳纸，以使得燃料能够分散在面对燃料供给电极的膜表面上。通常，离子传导聚合物膜包含全氟磺酸(PFSA)离聚物。

每个催化剂层都具有负载在碳颗粒上的细的催化剂颗粒（例如，铂颗粒），被以促进在阳极上氢气的氧化，和在阴极上氧气的还原。质子从阳极穿过离子传导聚合物膜流向阴极，在那里它们与氧气结合而形成水，所述水从电池中排出。

MEA 被夹在一对多孔气体扩散层(GDL)之间，所述多孔气体扩散层进而被夹在一对导电流场部件或板之间。所述板充当阳极和阴极的集流体，并且包含形成在其中的用于将燃料电池的气态反应物分配在各自的阳极催化剂和阴极催化剂表面上的适当通道和开孔。为了有效地发电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、质子可透过的、不导电的和不透气的。在典型的应用中，为了提供高水平的电力，燃料电池以许多独立的燃料电池堆的阵列提供。

在许多燃料电池的应用中，电极层由包含贵金属和全氟磺酸聚合物(PFSA)的油墨组合物形成。例如，在质子交换膜燃料电池的电极层的制造中，通常将PFSA添加到Pt/C 催化剂油墨中以向分散的Pt 纳米颗粒催化剂提供质子传导以及提供多孔碳网络的结合。传统的燃料电池催化剂将炭黑与所述碳表面上的铂沉积物连同离聚物一起结合。所述炭黑提供（部分地）高表面积导电基质。所述铂沉积物提供催化特性，且所述离聚物提供质子传导组分。所述电极由包含所述炭黑催化剂和所述离聚物的油墨形成，所述炭黑催化剂和所述离聚物当干燥时合并而形成电极层。气体扩散层在燃料电池技术中具有多面的作用。例如，气体扩散层充当通往阳极层和阴极层的反应气体的扩散器(diffuser)同时输送产物水至所述流场。气体扩散层也传导电子和将膜电极组件中产生的热传导至冷却剂，并且充当在软的膜电极组件和刚性的双极板之间的缓冲层。

尽管制备燃料电池用电极油墨的现有技术相当有效，仍有需要解决的担忧。例如，由这种油墨形成的催化剂层往往是机械上脆性的。为了弥补该特性，通常使用纤维增强件。需要制成具有优化的物理特性的这种增强纤维往往是昂贵的。

因此，本发明提供由可用于燃料电池应用中的油墨制备催化剂层的改进的方法。

发明内容

本发明通过在至少一个实施方案中提供制造燃料电池用纤维层的方法，解决了现有技术的一个或多个问题。所述方法包括将含全氟环丁基树脂与水溶性载体树脂合并以形成树脂状混合物的步骤。然后挤出所述树脂状混合物以形成成型的树脂状混合物。所述成型的树脂状混合物包含在所述载体树脂之内的含全氟环丁基结构。使所述成型的树脂状混合物与水接触（即，冲洗）以从所述载体树脂中分离所述含全氟环丁基结构。将任选的生质子基团和然后催化剂添加到所述含全氟环丁基结构中。