用于改善燃料電池耐久性的添加到PFSA PEM中的Co（II）四甲氧基苯基卟啉添加劑制造技術

本發(fā)明專利技術涉及用于改善燃料電池耐久性的添加到PFSA?PEM中的Co（II）四甲氧基苯基卟啉添加劑。用于燃料電池用途的離子傳導膜包括離子傳導聚合物和至少部分分散在所述離子傳導聚合物中的含卟啉的化合物。所述離子傳導膜和沒有加入這種含卟啉的化合物的膜相比，顯示出改善的性能。

【技術實現步驟摘要】
本申請是分案申請，其母案的申請日為2010年8月31日、申請?zhí)枮?01010269364.1，名稱為“用于改善燃料電池耐久性的添加到PFSAPEM中的Co（II）四甲氧基苯基卟啉添加劑”。
本專利技術涉及燃料電池用途的離子傳導膜。
技術介紹
燃料電池在許多應用領域用作電源。特別建議在汽車中使用燃料電池代替內燃機。常用的燃料電池設計使用固體聚合物電解質（“SPE”）膜或質子交換膜（“PEM”）以提供陽極與陰極之間的離子傳輸。在質子交換膜型燃料電池中，氫作為燃料供應給陽極，氧作為氧化劑供應給陰極。氧可以是純氧（O2）或空氣形式（O2和N2的混合物）。PEM燃料電池典型地具有膜電極組件（“MEA”），其中固體聚合物膜在一面上具有陽極催化劑，在相反面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極層和陰極層由多孔傳導性材料，如編織石墨、石墨化片材或碳紙，形成以使燃料能夠分散在朝向燃料供給電極的膜表面上。各電極具有負載在碳顆粒上的細碎催化劑顆粒（例如鉑顆粒）以促進氫在陽極處的氧化和氧在陰極處的還原。質子從陽極穿過離子傳導聚合物膜流向陰極，在此它們與氧結合形成水，水從電池中排出。典型地，所述離子傳導聚合物膜包括全氟化的磺酸（PFSA）離子交聯(lián)聚合物。MEA夾在一對多孔氣體擴散層（“GDL”）之間，這對GDL又夾在一對非多孔的導電元件或板之間。該板充當陽極和陰極的集流器，并含有在其中形成的用于將該燃料電池的氣態(tài)反應物分配在各自的陽極催化劑和陰極催化劑表面上的適當的通道和開口。為了有效地產生電力，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須是薄的、化學穩(wěn)定的、可傳輸質子的、不導電的和不透氣的。在典型用途中，燃料電池以許多單個燃料電池堆的陣列形式提供以提供大量電力。離子傳導聚合物膜降解的一種機制是經由在升高的溫度、在開路電壓（OCV）和干操作條件下氟的損失（也即，氟化物排放）。添加到PFSA膜中的添加劑需要在這些條件下改善燃料電池壽命、增加膜耐久性和減少氟化物排放（fluorideemission）。因此，需要具有減少的氟化物排放的、改善的離子傳導膜。
技術實現思路
本專利技術通過在至少一個實施方案中提供燃料電池用途的離子傳導膜來解決現有技術的一個或多個問題。該實施方案的離子傳導膜包括離子傳導聚合物和至少部分分散在所述離子傳導聚合物中的含卟啉的化合物，其存在量足以減少從該膜的氟化物排放。而且，加入含卟啉的化合物有利地延長了膜壽命，同時減少了在95℃、50％相對濕度下在開路條件下操作的燃料電池中的電極電壓下降。另外的益處包括和目前用于減輕PFSA-燃料電池離子傳導膜的添加劑相比降低的成本。本專利技術進一步體現在如下方面：1、用于燃料電池用途的離子傳導膜，所述離子傳導膜包括：離子傳導聚合物；和含卟啉的化合物。2、方面1的離子傳導膜，其中所述含卟啉的化合物包含具有式1的部分：其中：R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12各自獨立地是氫、烷基、芳基。3、方面2的離子傳導膜，其中R1、R2、R3、R4各自獨立是取代或未取代的烷基或苯基。4、方面2的離子傳導膜，其中R1、R2、R3、R4每個都是苯基甲氧基。5、方面2的離子傳導膜，其中R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12每個都是氫。6、方面2的離子傳導膜，其中所述含卟啉的化合物具有式2：其中M是金屬。7、方面2的離子傳導膜，其中M是Co2+,Co3+,Fe2+,Fe3+,Mg1+,Mg2+,Mn1+,Mn2+,Mn3+,ClMn3+,HOMn3+,Cu+1,Cu2+,Ni1+,Ni2+,Pd1+,Pd2+,Ru1+,Ru2+,Ru4+,Vn4+,Zn1+,Zn2+,Al3+,B,Si(OH)22+,Al3+,HOIn3+,HOIn3+,Pb2+,Ag+,Sn2+,Sn4+,Ti3+,Ti4+,VO+,Pt2+,Ce3+或Ce4+。8、方面1的離子傳導膜，其中所述含卟啉的化合物是Co（II）四甲氧基苯基卟啉。9、方面1的離子傳導膜，其中所述離子傳導聚合物是磺化的、基于四氟乙烯的含氟聚合物-共聚物。10、方面1的離子傳導膜，其中所述離子傳導聚合物包含全氟環(huán)丁基部分。11、方面1的離子傳導膜，其中所述含卟啉的化合物的存在量是大約0.001-50wt％，基于所述離子傳導膜的總重量。12、方面1的膜，其中所述離子傳導聚合物是磺化的、基于四氟乙烯的含氟聚合物-共聚物。13、方面1的膜，其中所述離子傳導聚合物包含全氟環(huán)丁基部分。14、用于燃料電池用途的離子傳導膜，所述離子傳導膜包括：包含全氟環(huán)丁基部分的離子傳導聚合物；和具有式1的化合物：其中：R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12各自獨立地是氫、烷基、芳基。15、方面14的離子傳導膜，其中R1、R2、R3、R4各自獨立是取代或未取代的烷基或苯基。16、方面14的離子傳導膜，其中R1、R2、R3、R4每個都是苯基甲氧基。17、方面14的離子傳導膜，其中R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12每個都是氫。18、方面14的離子傳導膜，其中所述含卟啉的化合物具有式2：其中M是金屬。19、方面14的離子傳導膜，其中M是Co2+,Co3+,Fe2+,Fe3+,Mg1+,Mg2+,Mn1+,Mn2+,Mn3+,ClMn3+,HOMn3+,Cu+1,Cu2+,Ni1+,Ni2+,Pd1+,Pd2+,Ru1+,Ru2+,Ru4+,Vn4+,Zn1+,Zn2+,Al3+,B,Si(OH)22+,Al3+,HOIn3+,HOIn3+,Pb2+,Ag+,Sn2+,Sn4+,Ti3+,Ti4+,VO+,Pt2+,Ce3+或Ce4+。20、方面14的離子傳導膜，其中所述含卟啉的化合物是Co（II）四甲氧基苯基卟啉。附圖說明由該詳述和附圖將更充分理解本專利技術的示例性實施方案，其中：圖1是結合了本專利技術的一個或多個實施方案的離子傳導膜的燃料電池的示意圖；圖2是具有和不具有鈷（II）四甲氧基苯基卟啉的Nafion?1000膜的電池電壓下降以及氟化物釋放速率（FRR）和時間的關系圖；和圖3提供了具有和不具有鈷（II）四甲氧基苯基卟啉的Nafion?1000的相對濕度（“RH”）掃描圖。具體實施方式現在詳細涉及本專利技術的目前優(yōu)選的組合物、實施方案和方法，它們構成本專利技術人目前已知的實施本專利技術的最佳方式。附圖不一定按比例繪制。但是，要理解的是，所公開的...

【技術保護點】
用于燃料電池用途的離子傳導膜，所述離子傳導膜包括：離子傳導聚合物；和含卟啉的化合物，其中所述含卟啉的化合物的存在量是0.1?10wt％，基于所述離子傳導膜的總重量,其中所述含卟啉的化合物包含具有式1的部分：其中：R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12各自獨立地是氫、烷基、芳基；R1、R2、R3、R4每個都是苯基甲氧基。

【技術特征摘要】
2009.08.31 US 12/5512841.用于燃料電池用途的離子傳導膜，所述離子傳導膜包括：
離子傳導聚合物；和
含卟啉的化合物，其中所述含卟啉的化合物的存在量是0.1-10wt％，基于所述離子傳
導膜的總重量,
其中所述含卟啉的化合物包含具有式1的部分：
其中：
R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12各自獨立地是氫、烷基、芳基；R1、R2、R3、R4每個都是苯基甲氧
基。
2.權利要求1的離子傳導膜，其中R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12每個都是氫。
3.權利要求1的離子傳導膜，其中所述含卟啉的化合物具有式2：
其中M是金屬。
4.權利要求3的離子傳導膜，其中M是Co2+,Co3+,Fe2+,Fe3+,Mg1+,Mg2+,Mn1+,Mn2+,
Mn3+,ClMn3+,HOMn3+,Cu+1,Cu2+,Ni1+,Ni2+,Pd1+,Pd2+,Ru1+,Ru2+,Ru4+,Zn1+,Zn2+,
Al3+,B,Si(OH)22+,Al3+,HOIn3+,HOIn3+,Pb2+,Ag+,Sn2+,Sn4+,Ti3+,Ti4+,VO+,Pt2+,Ce3+或Ce4+。
5.權利要求1的離子傳導膜，其中所述含卟啉的化合物是Co（II）四甲氧基苯基卟啉。
6.權利要求1的離子傳導膜，其中所述離子傳導聚合物是磺化的、基于四氟乙烯的含氟
聚合物-共聚物。
7.權利要求1的離子傳...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：MR謝內維斯，TJ富勒，F科姆斯，SM麥金農，
申請(專利權)人：通用汽車環(huán)球科技運作公司，
類型：發(fā)明
國別省市：美國;US