[發明專利]質子傳導電解質以及含有其的燃料電池

有效

• 申請號: 200710086207.5
• 申請日: 2007-03-09
• 公開（公告）號: CN101074281A
• 公開（公告）日: 2007-11-21
• 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;早稻田大學
• 主分類號: C08G73/06
• 分類號: C08G73/06;C08J5/18;H01M8/02
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所
• 代理人: 宋莉

技術領域

本發明涉及一種適用于燃料電池材料的質子傳導電解質以及含有它的 燃料電池，且更特別地，涉及一種質子傳導電解質，其具有良好質子傳導 性的并且在使用其形成的膜中具有良好的柔性，由此用于燃料電池的電解 質膜以及其電極中，并可提供在非潮濕或者50％或更小的相對濕度下在 100-200℃的工作溫度下具有高電流密度、高功率以及長壽命的固體聚合物 燃料電池，且還涉及包括該質子傳導電解質的燃料電池。

背景技術

氟化聚乙烯磺酸廣泛用于形成用于鹽電解以及海水脫鹽、水處理等的 燃料電池用電解質膜，因為該膜擁有高質子傳導性以及優異的化學穩定性。 例如，Nafion膜、Flemion膜、Aciplex膜、Dow膜(產品名稱)等是可以商購。 然而，這些電解質膜包含氟，因此，這些膜對環境有負面影響，并且它們 也很昂貴。

對于不包含氟的電解質膜，提出了作為用于水處理的離子交換樹脂或 離子交換膜的聚苯乙烯磺酸等，以及用于燃料電池的磺化芳族聚合物(日本 公開No.hei11-502245，T.Kobayashi，M.Rikukawa，K.Sanui，N.Ogata，Solid State?Inoics，106，1998，p.219)。然而，這些膜缺乏燃料電池所需要的基本耐 熱性和化學穩定性。

另外，在燃料電池的發電效率或者系統效率以及組分的長時間的穩定 性等方面，需要在非潮濕或者50％或更小的相對濕度下在100-200℃的工作 溫度下長時間具有良好電產生性能的燃料電池。然而，當上述材料用于電 解質膜時，不能實現穩定的性能。

為了改善燃料電池的電產生性能，在電解質膜材料中使用的芳族聚合 物的官能團的引入率增加，而且因此質子傳導性得到改善。但是隨著官能 團引入率越高，當形成作為電解質膜的膜時柔性下降，且該膜可能是易碎 的。

本發明的發明人已進行了研究以解決該問題，并且發現聚酰胺酸 (polyamidic?acid)能夠形成膜，即使在以高引入率使用sulfomide基團時在膜 形成后也可保持柔性，并且可使用聚酰胺酸作為前體獲得具有高質子傳導 性和良好柔性的聚酰胺酸衍生物，由此完成了本發明。

發明內容

本發明提供一種適于用于固體聚合物燃料電池的質子傳導電解質，其 具有良好的質子傳導性以及在使用其形成的膜中的良好柔性，并且在上述 的工作條件下長時間具有穩定的電產生性能，和還提供包括該質子傳導電 解質的燃料電池。

根據本發明的一方面，提供包含聚酰胺酸的質子傳導電解質，其中羧 基或者氨基磺酸基團作為側鏈用于包括烷基作為主鏈的聚酰胺中。

優選，聚酰胺酸衍生物由下式(1)表示：

式(1)

其中Ar代表芳族環或者包含芳族環的基團，R是烷基基團，0≤a≤2， 0≤b≤2以及a+b＝2，且n為平均聚合度且為100-300,000之間的整數。

另外，在質子傳導電解質中，式1的聚酰胺酸衍生物中的R優選為 C3-C12烷基。

在質子傳導電解質中，聚酰胺酸衍生物是其中作為聚酰胺酸側鏈的羧 基基團被全部或部分磺酰胺化(sulfamidized)的化合物。

聚酰胺酸衍生物通過如下得到：將作為聚酰胺酸側鏈的羧基基團全部 或部分羰基氯化，使所得產物與氨基磺酸三乙胺鹽反應，然后陽離子交換 所得產物。

在本發明的另一方面，提供一種燃料電池，包含一對電極和插入該對 電極之間的電解質膜，其中該電解質膜包含該質子傳導電解質。

在燃料電池中，質子傳導電解質包含在部分電極中。

同時，基于盡管大分子量，具有高的質子傳導性和耐熱性的聚乙烯基 氨基磺酸可以由具有良好溶解性和耐熱性的前體制備的事實，本發明提供 一種質子傳導電解質，包含由下式2表示的聚乙烯基氨基磺酸共聚物：

式(2)

其中R₁為H、COOH、CONHSO₃H或者芳香基，R₂為H或CH₃， R₃為COOH、烷氧基、鹵素、酯基或芳香基，且m和n各自為平均聚合度 且為100-1,000,000之間的整數。

燃料電池包括一對電極和插入該對電極之間的電解質膜，其中該電解 質膜含有質子傳導電解質。