[发明专利]聚烯烃-全氟环丁基(PFCB)离聚物

说明书

本发明涉及用于燃料电池的离子传导膜。

背景技术

在质子交换膜类型燃料电池中，氢作为燃料供应给阳极，氧作为氧化剂供应给阴极。氧可以是纯氧(O₂)或空气形式(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(“MEA”)，其中固体聚合物膜在一个面上具有阳极催化剂，在另一个面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极层和阴极层是由多孔传导性材料，例如编织石墨、石墨化片材或炭纸，构成以使燃料能够分散朝向燃料供给电极的膜表面上。通常，离子传导聚合物膜包括全氟磺酸(PFSA)离聚物。

每个催化剂层都有细碎的催化剂颗粒(例如，铂颗粒)，负载于炭颗粒上，以促进阳极上氢的氧化，和阴极上氧的还原。质子从阳极穿过离子传导聚合物膜流向阴极，在那里质子与氧混合形成水，其从电池中排出。

MEA夹于一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，其又夹于一对导电流场元件或板之间。该极板充当阳极和阴极的集流器作用，并包含形成在其中的合适的通道和开口以将燃料电池的气态反应物分配到各自的阳极和阴极催化剂表面上。为了高效发电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、可传导质子的，不导电的和不透气的。在典型的应用中，燃料电池以堆叠的许多单独的燃料电池的阵列提供，以提供高水平的电力。

在许多燃料电池应用中，电极层由油墨组合物构成，所述组合物包含贵金属和全氟磺酸聚合物(PFSA)。例如，PFSA通常在质子交换膜燃料电池的电极层制造中添加到Pt/C催化剂油墨中，该Pt/C催化剂油墨，从而为分散的Pt纳米颗粒催化剂提供质子传导性和提供多孔碳网络的结合。传统燃料电池催化剂结合了表面上沉积有铂的炭黑和离聚物。炭黑提供了(部分)高表面积传导基质。沉积的铂提供了催化性能，以及离聚物提供了质子传导组分。电极由包含炭黑催化剂和离聚物的油墨形成，它们经过干燥相结合形成了电极层。

因此，本发明提供了制备用于燃料电池应用的离子传导膜的改进方法。

发明概述

本发明通过在至少一个实施方案中提供一种制备离子传导膜的方法，解决了现有技术的一个或多个问题。该方法包括使具有通式1的化合物与具有聚合物片段2的聚合物反应以形成具有聚合物片段2和聚合物片段3的共聚物的步骤：

随后将该具有聚合物片段2和聚合物片段3的共聚物形成离子传导膜，

其中：

Z为C_6-80脂族基团、聚醚或全氟聚醚；

Y为二价连接基团；

E₀为含烃部分；

Q₁为全氟环丁基部分；

P₁、P₂各自独立地为不存在、-O-、-S-、-SO-、-CO-、-SO₂-、-NH-、-NR₂-或-R₃-；

R₂为C_1-25烷基、C_1-25芳基或C_1-25亚芳基；和

R₃为C_1-25亚烷基，C_1-25全氟亚烷基、全氟烷基醚、烷基醚或C_1-25亚芳基。

在本发明的另一实施方案中，提供了一种制备离子传导膜的方法。该方法包括：

a)使具有通式1的化合物与具有聚合物片段4的聚合物反应：

以形成具有聚合物片段5的共聚物：

b)将该具有聚合物片段5的共聚物形成离子传导膜，其中：

n为5至60的数；

Q₁为全氟环丁基部分；

E₁为含芳香族部分；

Z为C_6-80脂族基团、聚醚或全氟聚醚；和

Y为二价连接基团。

本发明的另一实施方案中，提供了一种制备离子传导膜的方法。该方法包括：

a)使具有通式1的化合物与具有通式6的聚合物反应：

以形成具有聚合物片段7的共聚物：

b)将该具有聚合物片段7的共聚物形成离子传导膜，其中：

n为5至60的数；

Q₁为全氟环丁基部分；