[发明专利]封端的离子导电聚合物

说明书

发明领域

[001]本发明涉及封端的离子导电聚合物，所述离子导电聚合物可用于制备用于燃料电池的聚合物电解质膜。

相关申请交叉引用

[002]本申请要求2005年5月27日提交的美国临时申请60/685,300的优先权，所述临时申请通过引用其全部内容结合于本文中。

发明背景

[003]燃料电池是便携式电子装置、电动交通运输工具和其它应用的有前途电源，这主要由于其无污染本质。各燃料电池体系中，聚合物电解质膜基燃料电池如直接甲醇燃料电池(DMFC)和氢燃料电池由于其高功率密度和能量转化效率受到显著关注。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)，所述膜电极组件包括质子交换膜(PEM)、沉积在PEM的相对表面形成催化剂涂布膜(CCM)的催化剂及与所述催化剂层电接触布置的一对电极(即阳极和阴极)。

[004]DMFC的质子导电膜已为人知，如产自E.I.Dupont DeNemours and Company的Nafion或产自Dow Chemical的类似产品。然而当用于高温燃料电池应用时，这些全氟烃磺酸盐离聚物产品有严重局限性。当燃料电池的工作温度超过80℃时，Nafion失去导电性。此外，Nafion具有非常高的甲醇渗透速率，这妨碍了其在DMFC中的应用。

[005]转让给Ballard Power System的美国专利5,773,480描述了采用α，β，β-三氟苯乙烯制备的部分氟化的质子导电膜。这种膜的一个缺点是其高生产成本，这是由于单体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。这种膜的另一缺点是其非常脆，因此必须结合到载体基体中。

[006]Kerrres等的美国专利6,300,381和6,194,474描述了用于质子导电膜的酸基二元聚合物混合物体系，其中磺化聚醚砜通过聚醚砜的后磺化制备。

[007]M.Ueda在Journal of Polymer Science，31(1993)：853中公开了磺化单体用于制备磺化聚醚砜聚合物的用途。

[008]McGrath等的美国专利申请US2002/0091225A1采用了这种方法制备了磺化聚砜聚合物。

[009]离子导电嵌段共聚物已在PCT/US2003/015351中公开。

[0010]聚醚砜的封端已在Muggli等，Journal of Polymer Science，41：2850-2860(2003)中描述。

[0011]磺化聚醚砜的封端已在Wang F.等，Polymer Preprint，43492(2002)中描述。

[0012]根据聚合反应的化学计算，主链结构相同的离子导电聚合物可包含不同端基。这些离子导电共聚物可在物理、力学和化学性能上不同。例如，离子导电聚亚芳基酮和聚亚芳基砜可通过碱(即K₂CO₃)存在下二氟或二氯和二醇或二硫酚单体在DMSO和甲苯混合物中的缩合合成。根据化学计算，采用二氟、二醇和二硫酚单体合成的聚合物每个聚合物链末端可具有化学活性卤素、羟基或硫醇基，或一个末端有卤素而另一末端有羟基或硫醇基。

发明概述

[0013]离子导电共聚物具有化学活性端基可能不利于所述离子导电共聚物的稳定性，特别是制备成用于燃料电池的PEM时。在PEM表面或附近发生的氧化还原反应(包括自由基的产生)可导致PEM通过与化学活性端基反应而化学降解。这会降低PEM的性能和使用寿命。

[0014]为了使这种问题最少化，用化学惰性单体或低聚物将所述导电共聚物的至少一个化学活性端基封端。这种封端可提高聚合物稳定性并更好地控制共聚物分子量。封端还可使分子量分布变窄，这会影响直接甲醇燃料电池的吸水、甲醇渗透和氢燃料电池的氧化稳定性。

[0015]所述封端的离子导电共聚物优选通过将封端单体与聚合形成所述导电共聚物的单体和/或低聚物结合制备。

[0016]所述封端的离子导电共聚物可用于制备特别用于氢燃料电池和直接甲醇燃料电池的聚合物电解质膜(PEM)、催化剂涂布的聚合物电解质膜(CCM)和膜电极组件(MEA)。这些燃料电池可用于电子装置(便携式和固定的)、电源(包括辅助电源设备(APU))和用作汽车、飞机和船舶等交通运输工具的机车动力及其APU。

附图简述

[0017]图1是由实施例6的离子导电共聚物制备的膜6的极化曲线。