本发明专利技术提供了一种含有聚合物电解质膜的燃料电池膜电极组件，所述聚合物电解质膜包括高度氟化的聚合物电解质和分散其中的至少一种铈氧化物化合物。此外，提供了一种制备燃料电池聚合物电解质膜的方法，所述方法包括以下步骤：ａ）提供含有酸性官能团的高度氟化的聚合物电解质；ｂ）在其中分散至少一种铈氧化物，所述铈氧化物化合物的量为所述聚合物电解质膜总重量的０．０１％至５％；和ｃ）然后形成含有所述聚合物电解质的聚合物电解质膜。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及展示较高耐久性的燃料电池膜电极组件及含有铈氧化 物的燃料电池聚合物电解质膜及其制备方法。
技术介绍
据称US 6， 335， 112 (Asukabe)公开了一种包括含有能够分解 过氧化物的催化剂的烃基固体聚合物电解质的聚合物电解质膜。该参 考文件献提出了用于所述催化剂的多种元素。据称US 2003/0008196 (Wessel)公开了一种包含分解过氧化物的 催化剂的燃料电池电极。该参考文献提出了用于所述催化剂的多种元 素。据称US 2002/0093008和US 2004/0251450 (Kerres)公开了一 种包括用于质子传导的极小颗粒的渗透陶瓷纳米颗粒网的复合物膜。四氟乙烯(TFE)与使用化学式FS02-CF2-CF2-0-CF (CF3) -CF2-0-CF=CF2的共聚单体的共聚物是已知的并且由 DuPont Chemical Company,Wilmington,Delaware以商品名NAFION 销 售，销售形式为磺酸，即，其中的FS02-端基被水解为HS03-)。 Nafion 普遍用于制造燃料电池使用的聚合物电解质膜。四氟乙烯(TFE)与使用化学式FS02-CF2-CF2-0-CF=CF2的共 聚单体的共聚物也是已知的和在制造用于燃料电池的聚合物电解质膜 时是磺酸形式的，即其中的FS02-端基被水解为HS03-。于2002年12月19日提交的美国专利申请No. 10/325， 278 的公开内容以引用方式并入本文中，该专利公开了一种厚度90微米 或更小的且含有一种聚合物的聚合物电解质膜，所述聚合物含有根据 如下化学式的高度氟化的主链和重复侧基YOS02-CF2-CF2-CF2-CF2-0-其中Y为H+或诸如碱金属阳离子的单价阳离子。典型地，所 述膜为铸膜。典型地，所述聚合物具有大于22， 000的水合产物。典 型地，所述聚合物具有800至1200的当量。
技术实现思路
简而言之，本专利技术提供了一种含有聚合物电解质膜的燃料电池膜 电极组件，所述聚合物包括高度氟化的聚合物电解质以及至少一种分 散其中的铈氧化物化合物。典型地，在整个所述聚合物电解质膜厚度 铈氧化物化合物均匀分布。典型地，在整个所述聚合物电解质膜厚度 聚合物电解质均匀分布。典型地高度氟化的聚合物电解质为全氟化的。 典型地相对于聚合物电解质膜的总重量，铈氧化物的量在0.01重量％ 和5重量％之间，更典型地在0.1重量％和1重量％之间。并且最 典型地在0.2重量％和0.3重量％之间。典型地相对于聚合物电解质 膜的总体积，铈氧化物的量小于1体积％，更典型地小于0.8体积％， 并且更典型地小于0.5体积％ 。铈氧化物可为Ce02。铈氧化物可为 Ce203。典型地，聚合物电解质具有1000或更小，更典型900或更 小，并且更典型800或更小的当量。聚合物电解质可包括根据如下化 学式的侧基-0-CFrCF2-CF2-CF2-S03H，或者根据如下化学式的侧基 -0-CF2-CF (CF3) -0-CF2-CF2-S03H 。在另一方面，本专利技术提供了一种制备燃料电池聚合物电解质膜的 方法，所述方法包括以下步骤a)提供含有酸性官能团的高度氟化的 聚合物电解质；b)分散其中的至少一种铈氧化物，所述铈氧化物的量 在0.01%和5%的聚合物电解质膜总重量之间；和C)然后形成含有 所述聚合物电解质的聚合物电解质膜。典型地，在整个所述聚合物电 解质膜厚度铈氧化物分布均匀。典型地，在整个所述聚合物电解质膜 厚度聚合物电解质分布均匀。典型地高度氟化的聚合物电解质为全氟 化的。典型地相对于聚合物电解质膜的总重量，铈氧化物量在0.01重 量％和5重量％之间，更典型地在0.1重量％和1重量％之间，并 且最典型地在0.2重量％和0.3重量％之间。典型地相对于聚合物电 解质膜的总体积，铈氧化物量小于1体积％，更典型地小于0.8体积 %，并且更典型地小于0.5体积％ 。铈氧化物可为Ce02。钸氧化物 可为Ce203。典型地聚合物电解质具有1000或更小，更典型900或 更小，并且更典型800或更小的当量。聚合物电解质可包括根据如下 化学式的侧基-0-CF2-CF2-CF2-CF2-S03H，或者根据如下化学式的侧 基-0-CF2-CF (CF3) -0-CF2-CF2-S03H 。在另一方面，本专利技术提供了一种制备燃料电池膜电极组件的方法， 所述方法包括本文用于制备聚合物电解质膜的任何方法，并另外包括 以下步骤d)形成含有那一聚合物电解质膜的膜电极组件。在本专利申请中聚合物膜中添加剂的"均匀"分布指存在的添加剂量变化不超过 +/-90%，更典型不超过+/-50%，并且更典型不超过+/-20%;聚合物的"当量"(EW)指将中和一当量碱的聚合物重量；"多价阳离子"指具有2+或更大电荷的阳离子。"高度氟化"指含氟量是40重量％或以上，典型地50重量％ 或以上，并且更典型地60重量％或以上和"酸形式"指被质子中和的形式，它与阴离子官能团有关。本专利技术的个优点是提供一种可提供较高耐久性的燃料电池膜电极 组件和聚合物电解质膜及其制备方法。附图说明图1是报告四种膜电极组件(MEA)的燃料电池使用寿命测试结果的图，包括实例9C对比物MEA的电池电势(迹线Al，左侧刻 度尺)、本专利技术的两个实例10MEA的电池电势(迹线Cl和Dl, 左侧刻度尺)、含有Mn盐添加剂的对比物MEA的电池电势(迹线 Bl，左侧刻度尺)、实例9C对比物MEA的氟离子释放速率(迹线 A2，右侧刻度尺)、本专利技术的两种实例10MEA的氟离子释放速率(迹 线C2和D2，右侧刻度尺)、和含有Mn盐添加剂的对比物MEA的 氟离子释放速率(迹线B2，右侧刻度尺)。具体实施方式本专利技术提供了一种含有聚合物电解质膜的燃料电池膜电极组件， 所述膜包括高度氟化或全氟化的聚合物电解质和分散其中的至少一种 诸如Ce02或Ce203的铈氧化物，其中在整个聚合物电解质膜厚度铈 氧化物均匀分布。根据本专利技术的膜电极组件(MEA)或聚合物电解质膜(PEM)可 用于诸如燃料电池的电化学电池。MEA是诸如氢燃料电池之类质子交 换膜燃料电池的中心元件。燃料电池是电化学电池，其通过诸如氢之 类的燃料和诸如氧气之类的氧化剂的催化化合产生可用电力。典型的 MEA包括聚合物电解质膜(PEM)(也称为离子传导膜(ICM))， 其作用是固体电解质。PEM的一个面与阳极电极层接触，而相对面与 阴极电极层接触。在典型应用中，经由氢的氧化在阳极处形成质子， 并且穿过PEM将它传输到阴极，与氧气反应，使电流在连接两个电 极的外电路中流动。每个电极层均包括电化学催化剂，催化剂通常包括铂金属。PEM在反应气体之间形成耐用的、无孔的、非导电的机械屏蔽，然而它也容易传递H+离子。气体扩散层(GDL)有利于气体 进出阳极和阴极电极材料的传送和传导电流。GDL既是多孔的，又是 导电的，并且通常由碳纤维组成。GDL也可以被称为流体传输层(FTL) 或扩散器/电流收集器(DCC)。在一些实施例中，将阳极和阴极电极 层施用到GDL上和所得的催化剂涂敷的GDL与PEM夹在一起， 形成五层的MEA。五层的MEA的五个层依次为阳极GDL、阳极 电极层、PEM、阴极电极层和本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池膜电极组件，其包括聚合物电解质膜，所述聚合物电解质膜包括高度氟化的聚合物电解质和分散其中的至少一种铈氧化物化合物。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：马修H弗雷，丹尼尔M皮尔庞特，史蒂文J汉罗克，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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