[发明专利]聚合物和用于燃料电池的膜电极组件、及燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物、和用于燃料电池的膜电极组件、以及包括其的燃 料电池系统。更具体而言，本发明涉及具有优异的质子传导性、形状稳定 性和长期稳定性的聚合物，以及包括其的膜电极组件和燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是用于通过氧化剂和含于基于烃的材料如甲醇、乙醇或天然 气中的氢的电化学氧化还原反应而产生电能的发电系统。这种燃料电池为 可代替化石燃料的清洁能源。其包括由单元电池构成的堆并且产生各种范 围的能量输出。由于其能量密度为小的锂电池的4～10倍高，因此其作为 小型便携式电源是突出的。

代表性的示例性燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直 接氧化燃料电池(DOFC)。直接氧化燃料电池包括使用甲醇作为燃料的直接 甲醇燃料电池(DMFC)。

聚合物电解质膜燃料电池具有高能量密度和高功率的优点，但是也具 有如下问题：要求小心处理氢气和需要附属设备如用于重整甲烷或甲醇、 天然气等以生产作为燃料气体的氢的燃料重整处理器。

相反，直接氧化燃料电池具有比聚合物电解质膜燃料电池低的能量密 度，但是其具有如下优点：燃料容易处理；由于其低的运行温度能够在室 温下运行；和不需要额外的燃料重整处理器。

在以上燃料电池中，产生电的堆基本上包括几个到几十个以多层堆叠 的单元电池，并且各单元电池由膜电极组件(MEA)和隔板(也称双极板)形 成。膜电极组件由被聚合物电解质膜隔开的阳极(也称为“燃料电极”或者“氧 化电极)和阴极(也称为“空气电极”或者“还原电极”)组成。

将燃料供应给阳极并且吸附在阳极的催化剂上，并且将燃料氧化以产 生质子和电子。电子经由外部电路转移到阴极中，并且质子穿过聚合物电 解质膜转移到阴极中。此外，将氧化剂供应给阴极，然后使氧化剂、质子 和电子在阴极的催化剂上反应以产生电和水。

发明内容

本发明的一个实施方式提供具有优异的离子传导性、形状稳定性和长 期稳定性的聚合物。

本发明的另一实施方式提供包括所述聚合物的用于燃料电池的膜电极 组件。

本发明的又一实施方式提供包括所述膜电极组件的燃料电池系统。

根据本发明的实施方式，提供由下式1表示的聚合物。

[化学式1]

[化学式2]

在上式1和2中：

A₁、A₃、A₄、A₆、A₇和A₈彼此相同或者不同，且独立地选自CR₇R₈、 O、S、CO、SO和SO₂；

A₂和A₅彼此相同或者不同，且独立地选自CR₇R₈、取代或未取代的亚烷 基、取代或未取代的亚环烷基、取代或未取代的亚芴基、以及取代或未取 代的亚芳基；

Ar各自独立地为亚芳基；

B₁～B₃彼此相同或者不同，且独立地选自O、S、CO、SO和SO₂；

X为亚环烷基或者由上式2所表示；

R₁～R₁₀彼此相同或者不同，且独立地选自氢、取代或未取代的烷基、 取代或未取代的环烷基、取代或未取代的烯基、取代或未取代的烷氧基、 取代或未取代的芳基、取代或未取代的杂芳基、以及取代或未取代的包含 选自O、N和S的原子的杂烷基；

R₁₁和R₁₂彼此相同或者不同，且独立地选自氢、氟、取代或未取代的烷 基、取代或未取代的烯基、取代或未取代的烷氧基、取代或未取代的芳基、 取代或未取代的杂芳基、以及取代或未取代的包含选自O、N和S的原子的 杂烷基；

Y₁和Y₂彼此相同或者不同，且独立地为质子传导基团；