[發明專利]親水性聚合物及其在電化學電池中的應用

有效

• 申請號: 201210106798.9
• 申請日: 2002-09-09
• 公開（公告）號: CN102646841A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: D·J·海伊蓋特
• 申請（專利權）人: ITM動力(研究)有限公司
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/04;H01M8/10;C08F226/10;C08F220/44;C08J5/22;C25B9/10;H01B1/12
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 張欽

本申請是申請號為2007101860857申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及導電的親水性聚合物及其在電解池和電化學電池例如燃料電池中的應用。

背景技術

電解池中，輸入電能產生凈化學轉換。常規電解池的共同特征在于需要輸入大量電能從而以足夠的速率驅動電解反應。此電能的支出使電池的效能降低。

電化學電池特別是燃料電池可以是膜電極組件(MEA)形式的。固體聚合物電解質燃料電池MEAs典型地有多層結構，包括(i)質子交換膜(PEM)、(ii)集電電極、和(iii)每側的電-催化劑層。PEM依靠包含包埋陽離子部位從而允許陰離子傳輸而進行工作。同樣地，固體聚合物電解質可包含固定的陰離子部位，其能優先傳輸陽離子。因此，以下提及PEM不是排他性的。

上述結構由離散元件組裝而成，通過加熱和加壓粘合成MEA，裝配在氣體歧管間之前，使整個結構密封防止漏氣(和交叉)以形成單電池。該方法很復雜，PEM和常用作(ii)和(iii)項的涂有催化劑的碳素紙的固有成本是燃料電池的主要生產成本。

PEM燃料電池的性能限制是水的管理，以在使用中保持PEM膜充分水合。氫氣和氧氣轉化成電得到產物水，其出現在氧電極處。要使該膜保持工作狀態，所述膜必須有足夠的透水性以使產物水再分布并防止該膜局部變干。變干導致過熱和災害性破壞(甚至可能導致氫氣/氧氣交叉而有可能發生爆炸)。

PEM裝置僅依靠制成薄膜的性質工作。用作電解池時，加水和電產生氧氣和氫氣；用作燃料電池時，用氫氣和氧氣(或空氣)產生電。

現有的PEM材料例如Nafion由非交聯的氟化聚合物(主要是PTFE)組成，所述聚合物有包含離子活性部位(通常為SO₃)的側鏈。所述SO₃部位提供親水性。必須保持這些材料與附加的水(由水合燃料氣提供)水合，以進行操作。它們可以薄片(10-30μm厚)形式獲得，用于組裝成電池(電壓1V)，從而組裝成電池組(典型地100個單元)。

可由單個MEAs生產電池組(stack)。由于必須分開地生產每個MEA然后串聯疊合成堆，所以生產電池組很費力。

能有高水含量的親水聚合物是已知的。水含量決定其性質。其電性能由水合溶液的性質決定。例如，某些親水性材料如HEMA(甲基丙烯酸2-羥乙酯)和MMA-VP(甲基丙烯酸甲酯-乙烯基吡咯烷酮)在生物醫學領域中作為隱形眼鏡材料是公知的，但它們不具有固有電性能。因此，如果在去離子-蒸餾(DD)水中水合，所得聚合物是良好的電阻器，但如果在酸或堿性溶液中水合，該材料則是良導體直至洗去電活性溶液時所述水合聚合物才恢復不導電體系。

US-A-4036788公開了通過雜環N-乙烯基單體、含磺酸的單體和交聯劑共聚得到的陰離子型水凝膠。可在所述單體可溶于其中的水溶性溶劑存在下進行聚合；以有機凝膠形式獲得所述聚合物，通過蒸餾、蒸發或水洗從中除去非水溶劑。浸泡在水中導致溶脹，得到可用于從水介質中回收堿性或陽離子材料或用于該材料的控制釋放的柔軟撓性材料。

WO-A-01/49824公開了通過不含磺酸基的單體、含磺酸基的單體和非必需的交聯劑聚合得到的聚合物。該聚合物適用于細胞的連接和生長、并適用于生物醫學裝置和假肢。它們有很高的膨脹率。

本說明書的元素已在其優先權之前公開。參見例如Delegate?Manual?of?the?Fifth?Grove?Fuel?Cell?Symposium，22-25?September?1997。這些元素未提供足以使普通技術人員能實現下述發明的信息。

發明概述

本發明至少部分是基于以下發現：可基于親水性聚合物(即固有地能在其整個分子結構內吸收和傳輸水的聚合物)生產離子交換膜(IEM)材料特別是PEM材料(但包括陽離材料，如前面所述)。被改性而包含磺酸或其它強離子部分的此材料可通過輻射或熱聚合由起始單體或預聚物體系的本體聚合制備。應在水或其它液體存在下進行聚合以使體系均勻。

根據本發明的第一方面，一種能進一步與水水合的部分預填充(pre-extended)的親水性聚合物可通過單體和溶劑例如極性液體共聚獲得，所述單體包括含強離子基的單體。優選使所得聚合物交聯。未與水水合的本發明聚合物或IEM材料可在使用中例如在產生水的燃料電池中被水合(對于本說明書而言包括任何程度的水合，包括最大限度的水合)。