[发明专利]质子传导性材料在制备燃料电池中的用途

说明书

本发明涉及质子传导性材料在制备燃料电池中的用途。

从DE 102007011427已知通过乳液聚合制备的平均颗粒直径为5～500nm且含可电离基团的聚合物颗粒作为多相化学工艺中的质子传导物质和/或质子接受物质的用途。从乳液聚合的胶乳所得到的聚合物颗粒具有由制备过程决定的规则的球形形状。

从DE 102007011427已知的材料的性能仍有待改善。具体地，就相对高的凝胶含量来说，材料的性能是有待改善的，因为交联强度较弱的系统、即在聚合物结构中具有较大网状网络的系统会更适合于一些应用中，例如作为用于制备燃料电池的材料中的添加剂。就结合聚合物颗粒的聚合物材料的机械性能的改变来说，也存在可以改善的空间。

从DE 102007011424(WO2008107192A1)已知聚合物电解质膜，该聚合物基质含有至少一种碱性聚合物以及一种或多种掺杂剂，其中含有可电离基团且平均颗粒直径在纳米范围的颗粒包埋入在聚合物基质中，该含可电离基团的颗粒以小于50％的浓度(基于聚合物基质)均匀地分布在聚合物基质中。这些通过乳液聚合制备的聚合物基质也同样未能具备最佳性能。

燃料电池是一种原电池，其将连续加入的燃料和氧化剂的化学反应能转化为电能。现今主要通过在连接发电机的热机中经过热能和动能从而从化学能量载体中获得电能。而燃料电池适合于实现无需间接过程的转化且因此是更高效的。

燃料电池包括电极，该电极通过膜或通过电解质(离子导体)相互分开。

因此，除电极外，电解质是形成电化学电池的一个重要组成部分。电解质应为电绝缘的，因为电解质除了作为质子导体的作用外还同时作为两个电极空间的隔离装置，并且电解质应该是热稳定和机械稳定的。以前通常使用的是液态电解质，出于电池的存放、独立性以及稳定性的原因，现今越来越多地使用固态电解质。本文中固态的定义是指从凝胶状或橡胶状到陶瓷状。

磷酸燃料电池和其他燃料电池的区别在于，在磷酸燃料电池中以磷酸为电解质进行工作。通常高浓度的磷酸(浓度为90～100％)固定在PTFE-相结构中。在磷酸燃料电池中，氢气用作气体燃料，而空气或纯氧气用作氧化剂。

聚合物电解质燃料电池是低温-燃料电池，其使用氢气和氧气转化化学能和电能。根据工作点的情况，电效率约为60％。作为电解质通常使用固态聚合物膜，如由基于含全氟磺酸基团的聚合物)制成的固态聚合物膜。

在膜的双面上涂覆催化活性的电极，通常涂覆碳(炭黑)和催化剂的混合物，其中催化剂通常为铂或铂和钌的混合物(PtRu-电极)、铂和镍的混合物(PtNi-电极)、铂和钴的混合物(PtCo-电极)。氢分子在阳极上离解且在释放两个电子的情况下被氧化成两个质子。该质子扩散通过膜。在阴极上氧气被之前电功产生的电子还原；与由电解质输送的质子一起生成水。为了可以利用该电功，将阳极以及阴极与用电器连接。

由于在该膜中的电荷转移与存在的水相关，相应的聚合物电解质膜-燃料电池的运行范围限制在最高为100℃。为了获得更高的运行温度，燃料电池的膜可以具有无机颗粒(参见DE 19919988A1、DE 10205849A1、WO03/063266A2和WO 03/081691A2)。

DE 102004009396A1记载了用于燃料电池的膜，该膜在燃料电池运行中具有改善的电学性能、机械性能和热力学性能。该膜包含聚合物和质子传导物质，聚合物特别优选塑料、天然材料、硅树脂或橡胶。然而这类膜在室温时不显示技术明显的导电性且示出较小的机械稳定性。

在该类燃料电池中使用的膜因此仍是有待改善的。特别有待改善的是膜的性能，特别是导电性、机械稳定性和热稳定性、对所用电极的溶胀性和相容性。一般可以借助添加剂对这些膜性能进行改善。然而到目前为止未提供具有相应性能的聚合物添加剂。

本发明的任务是提供相应的质子传导性添加剂，该添加剂例如与从DE102007011427已知的材料相比具有更低的支化度和例如可以特别用于在磷酸燃料电池和聚合物电解质燃料电池中使用的膜中。

本发明的任务具体是提供在磷酸燃料电池或聚合物电解质燃料电池中的膜使用的添加剂，该添加剂改善了导电性。

本发明的另一任务特别是提供在磷酸燃料电池或聚合物电解质燃料电池中的膜使用的添加剂，该添加剂改善了膜的机械稳定性和热稳定性。

本发明的另一任务具体是提供在磷酸燃料电池或聚合物电解质燃料电池中的膜使用的添加剂，该添加剂具有好的溶胀行为。

所用的添加剂优选具有与各种膜材料的好的相容性，即特别为混溶性。