[發明專利]用于質子交換膜燃料電池的高穩定性膜

無效

• 申請號: 200380102579.2
• 申請日: 2003-11-05
• 公開（公告）號: CN101120478A
• 公開（公告）日: 2008-02-06
• 發明（設計）人: Q·范;H·侯賽因
• 申請（專利權）人: 瓦斯技術研究所
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 關立新;趙蘇林

技術領域

本發明涉及適合在質子交換膜燃料電池中使用的電解質膜。本發明尤其涉及在質子交換膜燃料電池中使用的高穩定性的低成本聚苯乙烯膜。

背景技術

燃料電池是一種電化學裝置，其中在燃料和氧化劑之間的反應化學能直接轉化成電流?；镜娜剂想姵貑卧ㄅc多孔陽極接觸并在另一邊與陰極接觸的電解質層。在典型的燃料電池中，氣態或液態燃料連續流入陽極，有時稱陽極為燃料電極，氧化劑如來自空氣的氧氣，連續地流入陰極，有時稱陰極為空氣電極，在電極上發生電化學反應以產生電流。由于單個燃料電池單元的發電能力有限，因而通常將多個燃料電池單元一層壓一層地堆疊，同時在一個燃料電池單元的陽電極和一個毗鄰的燃料電池單元的陰電極之間用雙極隔板隔開。

根據各種類目將燃料電池分成許多不同的類型，這些類目包括燃料和氧化劑的類型組合，燃料是在燃料電池的外部還是在內部加工、電解質類型，例如固體氧化物、磷酸、熔融碳酸鹽和質子交換膜，操作溫度以及是通過內部還是外部的管道為燃料電池提供反應物。

本發明涉及質子交換膜燃料電池。質子交換膜燃料電池有時還稱為聚合物電解質膜燃料電池，其中該電解質是夾在兩個多孔電極之間的質子導電膜。通過涂覆合適的化合物比如TEFLON，使電極的背面成為疏水性。一般在質子交換膜燃料電池中使用的質子導電膜由全氟磺酸聚合物制成，其實例是杜邦出售的商標名NAFION。全氟化聚合物的NAFION膜具有特別高的化學穩定性和熱穩定性，并且在溫度高至大約100℃時對于強堿、強氧化性和還原性酸、H₂O₂、Cl₂、H₂和O₂的化學侵蝕是穩定的。NAFION由含氟聚合物主鏈構成，其上化學鍵合了磺酸基團。然而，盡管性能優異，但是NAFION是昂貴的材料，因而使質子交換膜燃料電池對于大多數的應用在經濟上不具備吸引力。NAFION的高成本歸因于兩個方面：氟的使用和需要非常嚴格的反應環境以制備聚合物。

因此，需要尋找具有所需要性質的低成本膜用作質子交換膜燃料電池中的質子導體。一些這樣的性質包括在電池運行環境下的機械穩定且耐用的薄膜特性，具有長壽命、高電導率所需的親水性和水不溶性。

磺化聚苯乙烯膜形式的低成本膜已應用于質子交換膜燃料電池。Ehrenberg等人的美國專利US5,468,574和US5,679,482介紹了一種用于燃料電池的離子導電膜，其包括多種酸穩定性聚合物分子，每個聚合物分子具有至少一個柔性的連接組分。氫化和磺化苯乙烯共聚物形成的膜是通過使苯乙烯-(乙烯-丁烯)-苯乙烯(SEBS)共聚物磺化而獲得的，其磺化程度至少為25mol％。所采用的磺化劑少于化學計量數量；優選所采用的磺化劑的劑量足以理論上與至少大約15％有效苯乙烯分子單元進行反應，優選與大約40-60％的有效苯乙烯分子單元反應。較高的磺化程度會使膜水化時強度降低。類似地，Sheikh-Ali等人的美國專利US6,110,616介紹了一種用于燃料電池的離子導電膜，該隔膜由苯乙烯和丁二烯的氫化和磺化的統計結構共聚物構成，是通過將苯乙烯和丁二烯的共聚物氫化至殘余不飽和度少于5％，然后采用乙?；蛩猁}磺化劑磺化該聚合物以達到磺化程度至少為30mol％磺酸基，從而獲得該共聚物。問題是需要提高這些膜的穩定性。

發明概述

本發明的一個目的是提供一種適于在質子交換膜燃料電池中使用的低成本質子導電膜。

本發明的另一個目的是提供一種在質子交換膜燃料電池中使用的質子導電膜，其在電池運行條件下具有機械和化學穩定性和耐用性。

本發明的另一個目的是提供一種在質子交換膜燃料電池中使用的具有高導電率的質子導電膜。

本發明的這些和其它目的是由一種質子交換膜實現的，該膜中包含

其中Y是共價鍵合基團、R選自-SO₃H，-PO₃H₂和其混合物。

在不希望受到特定理論或解釋的限制情況下，我們認為迄今已用于質子交換膜燃料電池的已知的磺化聚苯乙烯膜不穩定的一個原因與聚苯乙烯脂族主鏈上的叔氫原子有關。尤其是，我們已經發現，在燃料電池操作條件下，這些叔氫原子傾向于降解。我們已經發現通過消除叔氫原子和用共價結合基團或原子團取代它們，形成了一種適于在質子交換膜燃料電池中使用的更穩定的膜。本發明膜的一個具體實施方案是磺化苯乙烯聚合物膜，其中已用甲基取代了叔氫原子，結果形成了磺化聚(甲基苯乙烯)膜。