[發明專利]用作聚電解質膜的磺化聚(亞苯基硫醚)薄膜

有效

• 申請號: 200680004357.0
• 申請日: 2006-01-23
• 公開（公告）號: CN101133511A
• 公開（公告）日: 2008-02-27
• 發明（設計）人: T·J·福勒;B·T·多布利斯
• 申請（專利權）人: 通用汽車公司
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;C08J5/22
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 周鐵;鄒雪梅

簡介

本發明涉及聚電解質膜及其在燃料電池中作為質子交換膜的用途。更具體地，本發明涉及聚(亞苯基硫醚)薄膜的處理以提供一種用于燃料電池應用中的聚電解質。

燃料電池越來越多地用作電動車輛和其它應用的能源。示例性的燃料電池包括具有催化電極和在電極間形成的膜的膜電極組裝體。氫燃料供給至該組裝體的陽極側，同時氧供給至陰極。該膜提供在所述陽極和陰極之間的電連接，并提供一種介質，通過該介質由陽極傳輸燃料氧化產物，使之與被還原的氧在陰極結合。在該燃料電池中的總反應為氫與氧結合以產生水和電動勢。由于該燃料的氧化產物基本上是HW或質子，因此該電解質膜又稱作質子傳導膜(proton?conductingmembrane)或質子交換膜(PEM)。

在PEM燃料電池中水管理是很重要的。質子必須水化以通過該質子交換膜與氧在陰極結合。根據各種模型，需要7-11個水分子以解決一個質子通過該膜的傳輸。已經發現當燃料電池中的相對濕度較低時，質子傳輸效率不足，從該電池得到的電流下降。為避免該問題，可潤濕燃料電池以避免該膜干燥。然而，隨著燃料電池運行溫度的升高，增壓將是必要的，這導致了額外的費用。

PEM燃料電池在高達約95℃的溫度下運行，要求在升高的壓力下進行外部增濕以維持質子電導率。當該膜在降低的濕度下干燥時，質子電導率迅速惡化。

工業上一直在尋找能夠在降低的濕度水平下有效傳導質子的新型膜材料。進一步地，期望提供用于PEM燃料電池的膜具有改進的成本和耐久性特性。

概述

新型質子傳導膜包含帶有磺酸基團的聚(亞芳基硫醚)聚合物(PAS)。該膜通過固態磺化包含該聚(亞芳基硫醚)聚合物、含環氧基的烯屬聚合物和彈性體的薄膜制備，所以彈性體改進該薄膜的耐沖擊性、熔融流動性或柔韌性。優選的聚(亞芳基硫醚)聚合物為聚(對亞苯基硫醚)。該膜可用于在高于95℃的溫度或低相對濕度下運行的PEM燃料電池中。根據本發明的方法，磺化的聚(亞苯基硫醚)(SPPS)薄膜可具有較寬的物理性質范圍，其部分地取決于該薄膜的離子交換能力。具體地說，可通過調節反應條件如溫度和時間，來調整磺化程度或水平。該SPPS膜材料可用作PEM燃料電池中的聚電解質膜。

通過以下提供的詳細描述，本發明的進一步應用領域將變得顯而易見。應理解這些詳細描述和具體實施例雖然說明了本發明的優選實施方式，但其僅用于解釋性目的，而不用于限制本發明的范圍。

附圖簡述

通過詳細描述和附圖將可更加充分地理解本發明，其中：

圖1為在典型的燃料電池體系中電池堆中三個電池的示意圖。

優選實施方式的詳細描述

以下優選實施方式的描述本質上僅為示例性的，并不以任何方式限制本發明及其應用或用途。

在一個實施方式中，本發明提供一種包含不溶性磺化薄膜的聚電解質膜。該薄膜由三種聚合組分制成，其為A)聚(亞芳基硫醚)、B)包含環氧基的烯屬聚合物和C)彈性體。A/(B+C)的重量比為70/30-95/5，B/C的重量比為10/90-80/20等。該聚(亞芳基硫醚)為公知類型的熱塑性聚合物。在各實施方式中，該聚(亞芳基硫醚)包括多鹵化芳基化合物與硫源的聚合反應產物。在一個實施方式中，該聚合物具有產生自對二氯苯與硫化鈉反應的結構，以形成優選的聚(對亞苯基硫醚)。

該聚電解質薄膜可作為磺化試劑如氯磺酸與擠出薄膜的反應產物進行生產，所述擠出薄膜包括組分A)聚(亞芳基硫醚)、B)含環氧基的烯屬聚合物和C)彈性體，其中A/(B+C)的重量比為70/30-95/5，B/C的重量比為10/90-80/20等。該聚電解質薄膜不溶于水，這表明除結合的磺酸鹽基團外，還存在一定水平的交聯。該聚電解質薄膜的磺酸鹽含量，也稱作離子交換能力(IEC)，優選至少為0.64毫當量每克(milliequivalents?per?gram)(meq/g)。在優選的實施方式中，該磺酸鹽含量以meq/g為單位表示，為1.7或更高，或1.9或更高。

本發明還提供一種膜電極組裝體，其包括催化陽極、催化陰極和布置在上述電極之間并與電極接觸的質子交換膜。該質子交換膜為聚電解質薄膜例如以上所述的那些。本發明進一步提供包含這些膜電極組裝體的燃料電池。