[發明專利]質子導電材料、包含該材料的用于燃料電池的質子導電電解質及采用該電解質的燃料電池

有效

• 申請號: 200710007956.4
• 申請日: 2007-02-01
• 公開（公告）號: CN101235143A
• 公開（公告）日: 2008-08-06
• 發明（設計）人: 遠藤裕子;西出宏之;宗內篤夫;多胡貴廣
• 申請（專利權）人: 三星SDI株式會社
• 主分類號: C08G65/335
• 分類號: C08G65/335;H01M8/02;H01M8/10
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所
• 代理人: 宋莉

技術領域

本發明涉及包含新的聚合物的質子導電材料，包含該質子導電材料的質子導電電解質，及采用該質子導電電解質的燃料電池，更具體地，本發明涉及包含這樣的新聚合物的質子導電材料，包含該質子導電材料的質子導電電解質，及采用該質子導電電解質的燃料電池，該新的聚合物具有高質子導電性、良好的耐熱性及因良好成膜性而導致的化學穩定性，并且可以在溫和條件下通過較少的步驟制得。

背景技術

各種氟化聚乙烯磺酸廣泛和產業性地應用于鹽電解，海水脫鹽，水處理，及形成質子導電膜等。質子導電膜的實例包括Nafion(注冊商標)膜，Flemion膜，Aciplex(注冊商標)膜，Dow膜等，這些膜是通過采用很多步驟的合成和聚合得到的。然而，這些膜都含氟并且昂貴。

另外，聚苯乙烯磺酸用于形成水處理所使用的離子交換樹脂或離子交換膜，而且聚苯乙烯在發煙硫酸等苛刻條件下磺化，因而對環境帶來不良影響。

日本公開特許公報第2005-171087號公開了聚(磺化烷氧基亞苯基氧)，其具有高質子導電性和優異的成膜性，并且可以在比含有各種磺酸基的聚合物更溫和的條件下合成，因而可用于便宜的燃料電池的質子導電電解質膜。

然而，聚(磺化烷氧基亞苯基氧)的磺酸基在200℃左右開始分解。因此，該磺酸基在相應燃料電池長時間使用時會發生分解。結果，質子導電性惡化。

發明內容

本發明提供一種質子導電材料，由該質子導電材料構成的質子導電電解質，及采用該質子導電電解質的燃料電池，該質子導電材料可以代替本領域中常用的包含磺酸基的聚合物，并且包含新的聚合物，與磺酸化合物相比，該新的聚合物是在更溫和的條件下，通過更少的步驟制備具有更高的熱穩定性和化學穩定性的含磷酸基的聚合物而得到的。

根據本發明的一個方面，提供一種包含聚(磷酸基亞苯基氧)的質子導電材料，該聚(磷酸基亞苯基氧)包括聚亞苯基氧主鏈和至少一個作為所述主鏈之側鏈的磷酸基。

在該質子導電材料中，所述聚(磷酸基亞苯基氧)為下面的式1所示的無規共聚物：

式(1)

式中R為氫原子，烷基，酯基，苯基，羧酸基，磺酸基，氨基磺酸基，及磷酸基中的任意一種；n為100～100000的整數；a，b，及c是指式1括號中的三種化合物的比例，而且a與b+c的比例為3∶5～6∶2。

在該質子導電材料中，所述聚(磷酸基亞苯基氧)是通過氧化和聚合下面的式2和式3所示的磷酸基苯酚合成的：

式(2)

式(3)

式中R為氫原子，烷基，酯基，苯基，羧酸基，磺酸基，氨基磺酸基，及磷酸基中的任意一種。

在該質子導電材料中，所述磷酸基苯酚可以通過一步法使下面式4所示的各種鄰苯二酚與五氧化二磷反應來合成：

式(4)

式中R為氫原子，烷基，酯基，苯基，羧酸基，磺酸基，氨基磺酸基，及磷酸基中的任意一種。

在所述質子導電材料中，式3所示的各種鄰苯二酚為鄰苯二酚。

而且，在該質子導電材料中，式3所示的各種鄰苯二酚為3-甲基鄰苯二酚。

根據本發明的另一方面，提供一種用于燃料電池的質子導電電解質，其包含至少一種質子導電材料。

根據本發明的再一方面，提供一種燃料電池，該燃料電池包括一對電極以及介于各電極之間的電解質膜，其中該電解質膜為上述的質子導電電解質。

在該燃料電池中，質子導電電解質包含在電極的一部分中。

附圖說明

通過參照附圖詳述其示例性實施方案，本發明的上述及其它特征和優點將變得更容易理解，在附圖中：

圖1是根據本發明實施方案的燃料電池的單元電池結構的截面圖；及

圖2是實施例1的質子導電電解質膜的質子電導率的溫度依賴關系曲線圖，縱軸為質子電導率σ(s/cm)的常用對數，橫軸為溫度(T)倒數乘以1000而得到的數值。

具體實施方式

下文中，將參照其中示出了本發明的示例性實施方案的附圖，更全面地說明本發明。

「質子導電材料(質子導電電解質)」

本發明人制得根據本發明實施方案的聚(磷酸基亞苯基氧)，基于鄰苯二酚容易以高速率與五氧化二磷反應生成磷酸基苯酚的事實，盡管該鄰苯二酚帶有吸電子性質的磷酸基，鄰苯二酚在溫和條件下利用水作為聚合溶劑以高速率氧化和聚合。而且，本發明人發現，這種材料具有高離子交換容量和高質子導電性。