用于制造电解质膜或膜电极组件的离型膜制造技术

本发明专利技术涉及层合体，所述层合体包括：(i)包含离子交换聚合物的离子交换膜；和(ii)可除去地附着于离子交换膜的至少一侧的单层离型膜，其中所述单层离型膜包含至少95重量％的间规聚苯乙烯(sPS)。本发明专利技术还涉及用于生产层合体的方法，单层离型膜在生产电解质膜或膜电极组件中的用途，以及用于生产电解质膜或膜电极组件的方法。件的方法。件的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于制造电解质膜或膜电极组件的离型膜


[0001]本专利技术涉及包括可除去地附着于电解质膜的单层离型膜的层合体、用于生产该层合体的方法、单层离型膜在生产电解质膜或膜电极组件中的用途，以及用于生产电解质膜或膜电极组件——例如聚合物电解质燃料电池的膜电极组件——的方法。

技术介绍

[0002]燃料电池通过燃料与氧气或另外的氧化剂的电化学反应将燃料(例如氢气或甲醇)的化学能转化为电能。
[0003]所有燃料电池都包含所谓的膜电极组件(MEA)，其包括夹在阳极电极和阴极电极之间的离子交换膜(IEM)。IEM在燃料电池中用作固体电解质膜。离子交换膜也用于氯化钠溶液的电解以形成氯气和氢氧化钠。此外，IEM在液流电池中和在扩散渗析、水电解、电渗析以及用于渗透蒸发和蒸气渗透分离的领域中是有用的。
[0004]燃料电池主要根据电解质的类型分类。燃料电池的实例为质子交换膜燃料电池(PEMFC，也称为聚合物电解质膜燃料电池，PEFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。
[0005]聚合物电解质燃料电池是特别有利的，因为其与其他燃料电池相比在更低的温度下运行。此外，聚合物电解质燃料电池不包含在磷酸燃料电池中发现的任何腐蚀性酸。
[0006]PEMFC通过将多个单电池层合起来而生产，其中各个电池包括膜电极组件，所述膜电极组件包括聚合物电解质膜(离子交换膜)和附着于电解质膜的各个表面的气体扩散电极的堆叠体。各个气体扩散电极包括电极催化剂层(通常为铂催化剂)和气体扩散层的层合体。气体扩散层(GDL)使氢气或氧气能够进入相应的催化剂层，并且通常由疏水化的多孔碳纸/布制成，但也提出了其他材料。
[0007]PEMFC的电解质膜仅传导质子并且在阳极形成的电子通过外部电路从阳极转移至阴极，从而产生电能。PEMFC的电解质膜可以包括例如全氟磺酸(PFSA)聚合物，例如具有磺酸基团的四氟乙烯/氟乙烯基醚共聚物(例如由DuPont提供的)。
[0008]为了增加PEM电导和总PEMFC功率输出，存在减小PEM厚度的动力。PEM通常非常薄，例如10μm和200μm。然而，减小PEM厚度可能导致在制造过程期间减少的结构完整性和处理问题。因此，PEM通常通过附加的增强材料来增强，例如浸渍有电解质材料(例如PFSA)的多孔增强材料(例如，膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)膜)。
[0009]例如，US 2011/020730涉及适合作为用于聚合物电解质燃料电池的电解质膜的加强部件的双轴取向膜。加强部件是最终PEM的一部分。双轴取向膜包含间规聚苯乙烯(sPS)并且在机器方向和横向方向的至少一者上的杨氏模量在4,500MPa至8,000MPa的范围内。
[0010]为了促进处理并防止薄聚合物电解质膜在其生产、转移、储存和加工期间变形和破坏(例如起皱或破裂)，聚合物电解质膜通常设置在支撑膜(也称为背衬层、离型膜或背衬)。支撑膜用作用于形成聚合物电解质膜的支撑基底。其后，在制造燃料电池时在将聚合物电解质膜与电极层合之前，将支撑膜从聚合物电解质膜分离(剥离)。因此，支撑膜通常不
存在于最终的燃料电池中。
[0011]可剥离的支撑膜需要具有足够的机械强度以承受连续的卷筒材加工和足够的剥离特性(可剥离性)，允许支撑膜容易地从膜剥离。然而，仍然必须存在足够的粘合性以抵抗支撑膜与膜意外分离。支撑膜不应污染电解质膜，并应具有耐热性(例如，在130℃至190℃的温度下)、耐化学性(例如耐酸性)、抗污特性和尺寸稳定性。
[0012]EP 2422975公开了层合体，其包括由环烯烃共聚物(COC)制成的离型膜以及层合在离型膜上的包含离子交换树脂的层。该层合体还包括层合在离型膜的与包含离子交换树脂的层相反的一侧上的基底膜，例如由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚丙烯(PP)制成的膜。
[0013]JP 2014175116 A涉及支撑膜，所述支撑膜包括由在150℃下的弹性模量为100MPa至1000MPa的合成树脂(例如聚酯)形成的基底层和涂覆在基底层的至少一侧上的间规聚苯乙烯(sPS)树脂的离型层。
[0014]JP 2016096108 A涉及电解质膜结构，包括设置在间规聚苯乙烯(sPS)的支撑基底膜上的电解质膜，与支撑膜的后侧相比在面向电解质膜结构的一侧具有“高粘合力”。公开了通过在sPS上施加氟树脂涂层来提供sPS片材增加的粘合特性。JP 2016096108 A涉及树脂涂覆的sPS作为与聚四氟乙烯(PTFE)和四氟乙烯
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全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)相比更便宜的替代品。此外，在JP 2016096108 A中讨论了将电解质膜和PTFE或PFA膜的层合体缠绕在卷上，由于膜的背表面和电解质膜之间的粘合性而可能导致电解质膜从支撑膜分离。
[0015]JP 2017081011 A涉及用于制造膜电极组件的层合膜。该层合膜包括基底层(例如聚酯、PET或间规聚苯乙烯(sPS)树脂)、施加在基底层的至少一个表面上的包含粘合剂组分(例如含氯树脂)的第一层，以及包含层合在第一层上的脱模组分(例如环状烯烃树脂)的第二层。
[0016]US 2017/077540描述了通过将氟原子引入到基底膜的至少一个表面而提供的支撑膜，该基底膜由一种或更多种类型的选自以下的聚合物形成：聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚砜、聚醚酮、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺、聚酰胺
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酰亚胺、聚苯并咪唑、聚碳酸酯、聚芳酯和聚氯乙烯。例如，可以通过使基底膜与氟气体接触来引入氟原子。
[0017]使用粘合剂树脂或以其他方式在支撑膜的面向电解质膜的一侧上对支撑膜的表面进行改性可能污染电解质膜，导致例如其质子传导性的劣化。此外，由于从支撑膜到电解质膜的化学迁移而导致膜的脱离特性可能随时间改变。此外，使用粘合剂树脂或以其他方式对支撑膜的表面进行改性导致制造支撑膜时的另外成本。此外，支撑膜可能遭遇不均匀剥离强度和/或不均匀厚度的问题。
[0018]层合的支撑膜生产成本很高。此外，由于基底层(例如PET)的背侧与聚合物电解质膜之间的粘合，可能存在支撑膜分层或在展开其中粘附有层合的支撑膜的聚合物电解质膜的卷时电解质膜无意中从支撑膜上剥离(分层)的问题。此外，可能形成皱纹和卷曲，导致支撑膜的层的不同热特性。此外，多层(例如双层)层合体的厚度通常为约50μm或更大。
[0019]因此，需要满足上述要求的低成本支撑膜，例如具有足够的剥离和粘合特性，同时避免当向电解质膜层合支撑膜层时电解质膜的劣化。

技术实现思路

[0020]已经发现，包含至少95重量％的间规聚苯乙烯(sPS)的单层膜具有所需的机械强度、耐化学性和耐热性，以及合适的剥离和粘合特性以在生产电解质膜或膜电极组件时有利于用作可剥离的支撑膜，在下文中称为离型膜。电解质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种层合体，包括：包含离子交换聚合物的离子交换膜；和可除去地附着于离子交换膜的至少一侧的单层离型膜，其中所述单层离型膜包含至少95重量％的间规聚苯乙烯(sPS)。2.一种层合体，包括：包含离子交换聚合物的离子交换膜；和可除去地附着于离子交换膜的至少一侧的单层离型膜，其中使用本文所述的用于测量的方法，所述单层离型膜的剥离力等于或小于500mN/cm，并且使用本文所述的用于测量的方法，所述单层离型膜的表面能在23mJ/m2至50mJ/m2的范围内。3.根据前述权利要求中任一项所述的层合体，其中所述单层离型膜包括双轴取向间规聚苯乙烯膜。4.根据前述权利要求中任一项所述的层合体，其中所述单层离型膜包含膨胀型间规聚苯乙烯。5.根据前述权利要求中任一项所述的层合体，其中所述单层离型膜包含重均分子量在100000g/mol至300000g/mol的范围内的间规聚苯乙烯。6.根据前述权利要求中任一项所述的层合体，其中所述单层离型膜包含未经取代的间规聚苯乙烯。7.根据前述权利要求中任一项所述的层合体，其中所述单层离型膜在机器方向和横向方向中的至少一者上的拉伸模量在2000MPa至5000MPa的范围内。8.根据前述权利要求中任一项所述的层合体，其中所述单层离型膜在机器方向上的拉伸模量为2500MPa至4000MPa，并且在横向方向上的拉伸模量在2500MPa至4000MPa的范围内。9.根据前述权利要求中任一项所述的层合体，其中所述单层离型膜在机器方向和横向方向中的至少一者上的拉伸强度为至少50MPa。10.根据前述权利要求中任一项所述的层合体，其中所述单层离型膜在机器方向上的拉伸强度为至少100MPa，并且在横向方向上的拉伸强度为至少100MPa。11.根据前述权利要求中任一项所述的层合体，其中所述层合体由离子交换膜和单层离型膜组成。12.根据前述权利要求中任一项所述的层合体，其中所述离子交换聚合物是包含具有磺酸基团的侧链的含氟聚合物。13.根据前述权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：铃木健之，滨本汰一，
申请(专利权)人：日本戈尔合同会社，
类型：发明
国别省市：