[发明专利]三嵌段共聚物和由其制备的电解质膜

说明书

技术领域

本发明涉及三嵌段共聚物和由其制备的电解质膜。更具体而言，本发明涉及三嵌段共聚物、由其制备的电解质膜和应用了该电解质膜的燃料电池，该三嵌段共聚物可用于应用于分布式发电厂、热电厂（cogeneration plants）、无污染车用电源、商用电源、家用电源和移动设备电源等的燃料电池的电解质膜。

背景技术

近来，常规能源如石油和煤的预计耗尽已经导致对替代能源日益增长的关注。特别是，燃料电池作为储能系统优点在于，燃料电池高效率，不释放污染物如NO_x和SO_x，以及所用燃料丰富，因此吸引了大量的关注。

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学键能转化为电能的发电系统。通常，氢气、甲醇或烃(例如丁烷)用作燃料，氧气用作氧化剂。

在燃料电池中用于发电的最基本单元是膜电极组件(MEA)，该膜电极组件由电解质膜和在该电解质膜的两个表面上形成的阳极和阴极组成。参照说明燃料电池发电机理的反应路线I(在氢气用作燃料的情况下燃料电池的反应路线)，在阳极，发生氧化反应以产生氢离子和电子，且该氢离子通过电解质膜移向阴极。在阴极，氧气(氧化剂)、通过电解质膜迁移的氢离子与电子反应而生成水。基于这些反应，在外电路中发生电子传递。

[反应路线I]

在阳极：H₂→2H⁺+2e^-

在阴极：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

总反应：H₂+1/2O₂→H₂O

在燃料电池中，质子交换膜燃料电池(也称作“聚合物电极膜燃料电池”，PEMFC)提供高的能源效率、高的电流密度和功率密度、短的驱动时间和对载荷变化的快速响应。质子交换膜燃料电池使用质子交换膜，并且要求在运行温度下高的质子传导率、化学稳定性、热稳定性，低的气体渗透率，尤其是作为膜的优异机械强度。虽然已经开发出满足这些要求的膜，但是需要生产价格上有竞争力的膜的清洁制备技术以使得能够商业化。基于氟的膜，例如Nafion(由Du Pont制造)、Aciplex(由Dow membrane或Asahi Chemical制造)，缺点在于在低湿高温过程中质子传导率下降，并且生产成本高。因此，大量与非氟聚合物有关的研究在积极开展，在该非氟聚合物中将极性基团引入作为基础骨架的耐热聚合物中以提供聚合物电解质的功能性。其中，具有芳族衍生物和醚键的聚(芳醚)聚合物表现出良好的耐热性和耐化学性、优异的机械强度、优异的耐用性和低的生产成本。

但是，鉴于燃料电池的聚合物电解质膜产生大量的水的事实，尺寸稳定性是待考虑的非常重要的因素。通常，电解质膜应该具有高的离子交换能力(IEC)，以具备高的离子传导性。但是，由于电解质膜的离子交换能力(IEC)与吸水性直接相关，随着吸水性提高，离子交换能力提高。结果，尺寸稳定性变差，膜厚度增加，由此不利地导致电池的整体性能变差。

但是，有效解决尺寸稳定性的问题、同时保持优异性能的非氟聚合物膜还是未知的。

发明内容

技术问题

因此，已经完成本发明以解决上述问题和其它仍必须要解决的技术问题。

为了解决上述问题，作为各种广泛而深入的研究和实验结果，如下所述，本发明的发明人开发了一种三嵌段共聚物，该三嵌段共聚物具有含有极性部分的共聚物嵌段与含有非极性部分的共聚物嵌段交替键接的结构，且重均分子量为100,000至1,000,000g/mol，并且发现在使用该三嵌段共聚物的情况下可以保持优异的电池性能且可以提高尺寸稳定性。

基于该发现完成了本发明。

技术方案

根据本发明的一方面，提供三嵌段共聚物作为燃料电池用的聚合物电解质膜，该三嵌段共聚物具有t-P-N-P-t或t-N-P-N-t的分子结构，其中t表示由末端形成单体形成的聚合物末端，P表示含有极性部分的共聚物嵌段，N表示含有非极性部分的共聚物嵌段，以及该三嵌段共聚物的重均分子量为100,000至1,000,000g/mol。

本发明的三嵌段共聚物具有极性-非极性-极性或非极性-极性-非极性的共聚物嵌段排列。