[发明专利]聚砜类聚合物及其制备方法、包含该聚合物的高分子电解质膜、膜电极组件及燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚砜类聚合物、包含该聚合物的高分子电解质膜、包含该高分子电解质膜的膜电极组件、采用该高分子电解质膜的燃料电池以及该聚合物的制备方法。特别涉及一种具有新结构的聚砜类聚合物、包含该聚合物的高分子电解质膜、包含该高分子电解质膜的膜电极组件、采用该高分子电解质膜的燃料电池以及该聚合物的制备方法。 

背景技术

燃料电池根据电解质的种类分为高分子电解质型燃料电池(PEMFC：polymer electrolyte membrane fuel cell)、磷酸燃料电池(PAFC，phosphoric acid fuel cell)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC：molten carbonatefuel cell)、固体氧化物燃料电池(SOFC：solid oxide fuel cell)等。并且，根据所使用的电解质的种类不同，燃料电池的工作温度和结构部件的材质等各不相同。 

高分子电解质型燃料电池(PEMFC，Polymer Electrolyte MembraneFuel Cell)与其它燃料电池相比，具有输出优秀，工作温度低，响应迅速等特性。 

燃料电池由用于发电的发电部、重整器(Reformer)、燃料箱及燃料泵等构成。发电部是燃料电池的主体，燃料泵用于从燃料箱内部向重整器供给燃料。氢气在重整器生成，并且燃料通过泵供给到发电部，从而通过电气化学反应来产生电能。所述发电部可以由阳极、阴极以及由高分子电解质膜组成的膜电极组件(membrane electrode assembly，MEA)构成。 

并且，燃料电池根据给阳极供给燃料的方式，分为燃料直接供给型或内部重整型(inner reforming type)。就燃料直接供给型而言，具有代表性的是直接甲醇燃料电池(DMFC：direct methnol fuel cell)。 

在电解质方面，所述直接甲醇燃料电池也使用高分子电解质膜，所以所述直接甲醇燃料电池也属于高分子电解质型燃料电池。 

直接甲醇燃料电池由于将甲醇作为燃料使用，所以不需要使用氢重整器等装置。并且，直接甲醇燃料电池由于在低温环境下工作，可以使系统变为简单紧凑，从而比较适合作为小型机器和携带用机器的电源来使用。 

直接甲醇燃料电池产生电的原理如下：甲醇供给到阳极后，通过电极催化剂的氧化反应分解成氢离子、电子和二氧化碳(CO₂)，其中氢离子通过高分子电解质膜向阴极移动，而电子通过外部电路向阴极移动。在阴极，通过从空气中流入的氧气、经外部电路移动的电子和经膜来移动的氢离子之间的反应而生成水。所述电气化学反应由以下反应式1来表示。 

【反应式1】 

阳极：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极：3/2O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O 

整体反应：CH₃OH+3/2O₂→CO₂+2H₂O 

作为高分子电解质型燃料电池的电解质膜，一般使用具有阳离子交换功能的功能性氢离子交换膜。市面上主要使用包含有磺酸基的氢离子交换膜。这是因为，由于所述磺酸基的酸度(acidity)非常高，并且C-S键在氧化条件下仍然很稳定。在包含有磺酸基的氢离子交换膜中，为了使氢离子的电导率保持在较高水平，需要与水共存。在存在水的情况下，电解质膜中包含的磺酸基离解成磺酸盐阴离子和氢离子，并且像磺酸溶液电解质那样，氢离子根据其浓度梯度或电场来移动。氢离子的电导率根据高分子电解质膜中所包含的磺酸基的数量、高分子电解质膜的结构和高分子电解质膜内部所包含的水的量等来决定。 

现有代表性的高分子电解质型燃料电池的电解质膜为高氟化树脂膜(产品名：Nafion)、均质离子交换膜(产品名：Aciplex)、Flemion膜(产品名)或陶氏膜(产品名：Dow)等氟类高分子电解质膜。所述氟类高分子电解质膜在100℃以上高温下氢离子电导率降低，燃料气体的渗透性高，价格昂贵。并且，随着氢离子的电导率的提高，高分子电解质膜对水的渗透性会增加，从而燃料(例如，甲醇)的渗透性也会变大。因 此，很难同时保证较高的离子电导率和较低的燃料渗透性。