[发明专利]含有离子导电低聚物的离子导电共聚物

说明书

发明领域

[0001]本发明涉及适用于形成燃料电池中所用的聚合物电解质膜的离子导电聚合物。

发明背景

[0002]燃料电池主要因其非污染性质而成为适用于便携式电子设备、电动交通工具和其它应用的有前景电源。在各类燃料电池体系中，聚合物电解质膜-基燃料电池，如直接甲醇燃料电池(DMFC)和氢燃料电池，因其高能量密度和高能量转换效率而引起人们极大的兴趣。聚合物电解质膜-基燃料电池的“核心”是所谓的“膜电极组件”(MEA)，它包含质子交换膜(PEM)、为形成带催化剂涂层膜(CCM)而涂布在PEM两面的催化剂和一对沉积成与催化剂层电接触的电极(即阳极和阴极)。

[0003]DMFC的质子导电膜是已知的，如杜邦Nemours和Company生产的或Dow Chemical生产的类似产品。但是，这类全氟化烃磺酸酯离聚物产品在用于高温燃料电池应用中时存在严重限制。在燃料电池的工作温度超过80℃时，失去导电性。而且，具有很高的甲醇交叉率，这就阻碍了它在DMFC中的应用。

[0004]授予Ballard Power System的U.S.专利号5,773,480描述用α，β，β-三氟苯乙烯制成的部分氟化质子导电膜。该膜的一个缺点是其制造成本高，因为单体α，β，β-三氟苯乙烯的合成工艺复杂和聚(α，β，β-三氟苯乙烯)的磺化能力差。该膜的另一个缺点是它很脆，所以必须掺进支持基体。

[0005]授予Kerrres等的U.S专利号6,300,381和6,194,474描述适用于质子导电膜的酸-碱二元聚合物共混体系，其中磺化聚醚砜由后磺化聚醚砜而制成。

[0006]M.Ueda在Journal of Polymer Science，31(1993)：853中公开了用磺化单体来制造磺化聚醚砜聚合物。

[0007]授予McGrath等的U.S.专利申请US 2002/0091225A1用该方法制成了磺化聚砜聚合物。

[0008]离子导电嵌段共聚物已公开在PCT/US2003/015351中。

[0009]对适用于燃料电池工作的良好隔膜的需要要求平衡膜的多项性能。这类性能包括质子导电率、耐燃料性、化学稳定性和燃料交叉，尤其对高温应用，DMFC的快速起动和耐久性。此外，对于膜，在燃料工作温度范围内保持其尺寸稳定性很重要。如果膜明显溶胀，则将增加燃料交叉，导致电池性能劣化。膜的尺寸变化也在催化剂膜-电极组件(MEA)的结合处产生应力。在膜过度溶胀后，应力常常导致膜与催化剂和/或电极的分层。因此，必须在宽阔温度范围内保持膜的尺寸稳定性以尽量减少膜溶胀。

发明概述

[0010]在一个发明点中，离子导电共聚物包含分布在聚合物骨架内的一种或多种离子导电低聚物(有时称之为离子导电链段或离子导电嵌段)，其中聚合物骨架含有下列物质中的至少2种：(1)一种或多种离子导电单体，(2)一种或多种非离子单体和(3)一种或多种非离子低聚物。离子导电低聚物、离子导电单体、非离子单体和/或非离子低聚物彼此都靠氧和/或硫共价键合。

[0011]在共聚物内用离子导电低聚物和离子导电单体提高了共聚物内离子导电的效率。这是因为，在共聚物凝固时，离子导电低聚物的离子导电基团倾向于聚集在一起。其结果，在质子通过固体共聚物迁移时能量损失较少。

[0012]对于H₂/空气燃料电池，还有可能通过改变共聚物内离子导电低聚物和/或离子导电单体的含量和/或相对量来平衡吸水率，以最大化导电率和原位性能并最小化RH敏感性。

[0013]离子导电共聚物能用来制造适用于燃料电池，如氢和直接甲醇燃料电池，的聚合物电解质膜(PEM)、带催化剂涂层的PEM(CCM)和膜电极组件(MEA)。这类燃料电池能应用于电子设备，不论便携式和固定式，电源，包括辅助动力设备(APU)在内，以及交通工具如汽车、飞机、舰艇的移动电源及其相关的APU。

图1-附图简述

[0014]图1是从实施例2的离子导电聚合物制成的膜的电池电压对电流密度的曲线。

发明详述