[發明專利]含有離子導電共聚物和非離子聚合物的聚合物共混物

無效

• 申請號: 200680018799.0
• 申請日: 2006-06-01
• 公開（公告）號: CN101185191A
• 公開（公告）日: 2008-05-21
• 發明（設計）人: J·P·陳
• 申請（專利權）人: 復合燃料公司
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;C08J5/20
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 劉冬;段家榮

發明領域

本發明涉及用于制備在燃料電池中使用的聚合物電解質膜的離子導電聚合物共混物。

相關申請的交叉引用

本申請要求2005年6月1日遞交的美國臨時申請60/686,663的優先權，該申請通過引用全部內容結合到本文中。

發明背景

燃料電池是便攜式電子裝置、電動交通運輸工具和其他應用的很具前景的電源，主要由于其非污染特性。在各種燃料電池體系中，諸如直接甲醇燃料電池(DMFC)和氫燃料電池之類的聚合物電解質膜基燃料電池由于其高功率密度和能量轉換效率而備受關注。聚合物電解質膜基燃料電池的“核心”即是所謂的“膜電極組件”(MEA)，它包括質子交換膜(PEM)、處于PEM的相對表面上的用于形成催化劑涂布膜(CCM)的催化劑以及與催化劑層電接觸布置的一對電極(即，陽極和陰極)。

用于DMFC的質子導電膜是已知的，例如E.I.Dupont?De?Nemoursand?Company的Nafion或者Dow?Chemical的類似產品。但這些全氟烴磺酸鹽離聚物產品在高溫燃料電池應用中具有嚴重局限性。當燃料電池的工作溫度超過80℃時，Nafion的導電性下降。此外，Nafion具有非常高的甲醇滲透率，這阻礙了它在DMFC中的應用。

轉讓給Ballard?Power?System的美國專利5,773,480描述了一種由α，β，β-三氟苯乙烯得到的部分氟化的質子導電膜。這種膜的一個缺點是其制備成本高，由于單體α，β，β-三氟苯乙烯的復雜合成工藝以及聚α，β，β-三氟苯乙烯的較差的磺化能力。這種膜的另一個缺點是其非常容易破裂，因而必須使其與支撐載體相結合。

Kerrres等的美國專利6,300,381和6,194,474描述了一種用于質子導電膜的酸基二元聚合物共混物體系，其中磺化聚醚砜是由聚醚砜經過后磺化制備而成的。

M.Ueda在Journal?of?Polymer?Science，31(1993)：853中公開了使用磺化單體來制備磺化聚醚砜聚合物。

McGrath等的美國專利申請US?2002/0091225A1使用這種方法來制備磺化聚砜聚合物。

在PCT/US2003/015351中公開了離子導電嵌段共聚物。

磺化聚亞芳基醚酮(PAEK)等已經在燃料電池應用中作為聚合物電解質膜(PEM)。通常，提高磺化度或離子交換容量(IEC)來提高膜的導電性，從而提高燃料電池性能。但提高的導電性是以減小的尺寸和機械穩定性為代價的，因此由具有高磺化度的聚合物制備而成的離子導電膜通常導致低耐久性的燃料電池。

發明概述

因此，本發明的目的是提供預定比率的離子導電共聚物和非導電聚合物的聚合物共混物，以使由所述共混物制備的聚合物電解質膜(PEM)在燃料電池潮濕和干燥循環工作過程中顯示出良好的質子導電性、良好的抗張強度和較長的耐久性。

所述聚合物共混物包含非離子聚合物和離子導電共聚物。一方面，所述離子導電共聚物包含在聚合物主鏈中分布的一種或多種離子導電低聚物(有時稱之為離子導電鏈段或離子導電嵌段)，其中所述聚合物主鏈包含至少一種、兩種或三種，優選至少兩種如下物質：(1)一種或多種離子導電單體；(2)一種或多種非離子單體；和(3)一種或多種非離子低聚物。所述離子導電低聚物、離子導電單體、非離子單體和/或非離子低聚物通過氧和/或硫彼此共價連接。

非離子聚合物一般不具有離子導電基團，如磺酸、羧酸等。在優選實施方案中，非離子聚合物與離子導電共聚物相同，但沒有離子導電基團。在其他實施方案中，所述聚合物共混物包含離子導電共聚物和非離子聚合物，所述非離子聚合物的低聚物單元和/或單體單元與離子導電共聚物的主鏈中的不同。

所述非離子聚合物優選為所述聚合物共混物的1-30％重量、更優選1-20％重量、更優選5-15％重量，最優選5-10％重量。

所述聚合物共混物可以用于制備在燃料電池(例如氫和直接甲醇燃料電池)中使用的聚合物電解質膜(PEM)、催化劑涂布的PEM(CCM)和膜電極組件(MEA)。這些燃料電池可以用在電子裝置(便攜式和固定式)、電源(包括輔助電源設備(APU))中，并可以用于交通運輸工具(例如汽車、飛機和船舶)的動力電源及其APU。

附圖簡述

圖1是膜1的極化曲線。

圖2是膜2的極化曲線。

發明詳述

聚合物共混物包含非離子聚合物和離子導電共聚物。