[发明专利]全氟磺酸纳米纤维

说明书

一种制造具有纤维片的装置的方法包括将纤维形成树脂与载体树脂结合以形成树脂混合物的步骤。纤维形成树脂具有氟化主链，其具有CF₂CF₂‑X侧基，其中X为SO₃H或SO₂F。载体树脂为可溶性聚酰胺。将树脂混合物挤出以形成挤出的树脂混合物。挤出的树脂混合物在载体树脂内具有纤维形成树脂的纤维束。将挤出的树脂混合物与水接触以将纤维形成树脂的纤维束与载体树脂分离。纤维形成束任选地与氨交联，并且然后水解以形成离聚物。

技术领域

在至少一个方面，本发明涉及可以用于燃料电池应用的磺化聚合物纤维。

背景技术

全氟磺酸聚合物(PFSA)离聚物和纳米纤维可用于燃料电池、增湿器、电解槽、电极、离子交换应用、电池隔板和过滤器。PFSA纳米纤维通过静电纺丝(美国专利9172099)制成。

在质子交换膜(“PEM”)类型燃料电池中，氢作为燃料被供给到阳极，并且氧作为氧化剂被供给到阴极。氧可以是纯形式(O₂)或空气(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料电池通常具有其中固体聚合物膜在一个面上具有阳极催化剂并且在相对的面上具有阴极催化剂的膜电极组件(“MEA”)。典型的PEM燃料电池的阳极和阴极催化剂层由诸如编织石墨、石墨片材或碳纸的多孔导电材料形成，以使燃料能够分散在面向燃料供应电极的膜的表面上。通常，离子导电聚合物膜包括全氟磺酸(“PFSA”)离聚物。

每个催化剂层具有负载在碳颗粒上的细碎的催化剂颗粒(例如，铂颗粒)，以促进阳极处的氢的氧化和阴极处的氧的还原。质子从阳极通过离子传导聚合物膜流至阴极，在阴极处质子与氧结合形成从电池排出的水。

MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，该一对多孔气体扩散层又夹在一对导电元件或板之间。这些板用作用于阳极和阴极的集流器，并且包括适当的通道和在其中形成的开口，用于在相应的阳极和阴极催化剂的表面上分配燃料电池的气态反应物。为了有效地产生电力，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄、化学稳定、质子传导、非导电并且不透气。在典型的应用中，为了提供高水平的电功率，燃料电池以成堆的多个单个燃料电池的阵列提供。

在许多燃料电池应用中，电极层由包含贵金属和全氟磺酸聚合物(“PFSA”)的墨组合物形成。例如，PFSA通常在质子交换膜燃料电池的电极层制造中被添加到Pt/C催化剂墨中，以向分散的Pt-碳催化剂纳米颗粒提供质子传导，以及多孔碳网络的结合。传统的燃料电池催化剂将炭黑与铂沉积物结合在碳表面以及离聚物上。炭黑(部分地)提供高表面积导电基材。铂沉积物提供催化作用，并且离聚物提供质子传导组分。电极由含有炭黑催化剂和离聚物的墨形成，其在干燥时结合形成电极层。

因此，本发明提供了可用于燃料电池应用的制备多孔垫的改进方法。

发明内容

本发明通过在至少一个实施方案中提供制备用于燃料电池应用的磺化纤维的方法来解决现有技术的一个或多个问题。该方法包括将纤维形成树脂与载体树脂结合以形成树脂混合物的步骤。载体树脂是水溶性的，并且纤维形成树脂由通式I、II或III描述：

其中：

a为约5或6；

b为1；

c为从约30至150的平均；

d为约5；

e为1；

f为从约30至150的平均；

g为约5；

h为1；

i为从约30至150的平均；以及