[發明專利]化學結合離子液體的聚合物電解質膜及使用其的燃料電池

有效

• 申請號: 201210592988.6
• 申請日: 2012-12-31
• 公開（公告）號: CN103570899B
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發明（設計）人: 金榮澤;黃仁哲;權洛顯;樸文禎;洪在完
• 申請（專利權）人: 現代自動車株式會社;浦項工科大學校產學協力團
• 主分類號: C08F293/00
• 分類號: C08F293/00;C08F8/32;C08F8/06;H01M8/1023;H01M8/1072
• 代理公司: 北京尚誠知識產權代理有限公司11322
• 代理人: 龍淳

技術領域

本發明涉及通過離子液體與新型聚合物鏈末端的化學反應而結合有離子液體的聚合物電解質膜，以及使用該聚合物電解質膜的燃料電池。

背景技術

已廣泛研究氫導電聚合物在聚合物交換燃料電池(PEFC)中的用途，該聚合物交換燃料電池提供環境友好(例如生態友好)的能源。開發氫導電聚合物技術的主要問題之一是制造具有長期穩定性和耐久性的氫導電聚合物的能力。不幸的是，這種聚合物的穩定性和耐久性受到多種因素的負影響，包括：在鉑催化劑中出現的一氧化碳污染、熱和水控制系統中的復雜性、聚合物電解質中的水分保持以及電極中反應速度的提高。

解決上述問題最簡單的方法是提高PEFC的工作溫度。眾所周知，電極中的一氧化碳污染隨著工作溫度增加而降低到可忽略的水平。然而，該增加的工作溫度高于或等于水的沸點，這需要低濕化條件。因此，需要開發其中引入有新的具有高沸點和不揮發性質的氫導體來替代水的系統。

目前，(DuPont)主要用作在60～80℃溫度范圍內工作的聚合物電解質燃料電池的聚合物膜。是磺化的四氟乙烯類含氟聚合物-共聚物，其為具有離子特性的合成聚合物(例如離聚物)。類似的聚合物膜可以包括，例如(Asahi Glass)、(Asahi Kasei)等，然而，這種聚合物膜用于燃料電池類應用在商業上不可行，因為它們的價格過于昂貴。

為降低成本，已在開發并積極地研究將磺酸基或膦酸基引入到具有優異的熱穩定性和機械強度的聚合物中的烴類電解質。例如，一種代表性的價格吸引人的工程塑料，芳香族聚醚是亞苯基環與氧原子連接的聚合物。處于濕化狀態的芳香族聚醚顯示出高的吸濕特性和高的氫電導率。不幸的是，在高溫下其性能因水的蒸發而顯著劣化。

對于常規的聚合物電解質燃料電池，一種推薦的常規技術方案提出一種由電解質膜組成的燃料電池，該電解質膜在含有組胺的含氮化合物與離子導電聚合物之間包括離子導電膜。另一推薦的常規技術方案提出一種燃料電池不對稱膜，其為具有磺酸基的聚亞芳基和含氮化合物(組胺)的復合物。然而，以上提出的方案具有機械強度極低和/或在長期使用浸透的含氮化合物的過程中含氮化合物從聚合物電解質膜中泄漏的缺點。

最近，部分致力于開發可在無水/高溫環境中工作的聚合物電解質物質，本發明的發明人測量了各種類型的離子液體浸透于PSS-PMB聚合物電解質中的電導率。通過使用熱穩定性高的烷基咪唑鹽，已發現相應于聚合物的分子量以及所浸透的離子液體的類型和相對含量而形成不同的納米結構。并且，所得納米結構的電導率根據納米結構的類型而變化很大。

通過發現與嵌段共聚物的不同分子量和磺化程度以及離子液體的不同類型和浸透的這種關聯，對電導率進行測量同時研究其中的關聯，結果在165℃的高溫下出現0.045S/cm的高電導率，這是已知最高的電導率水平。例如，該電導率水平比的電導率大三倍，在165℃具有最大電導率，為0.014S/cm。不利的是，該系統經歷機械強度的顯著劣化，因為浸透的離子液體吸收濕化環境中的水分，這導致浸透的離子液體從電解質膜中泄漏。

發明內容

本發明提供通過離子液體與新型聚合物鏈末端的化學反應而結合有離子液體的聚合物電解質膜，其在無水/高溫環境中提供高的氫離子電導率以及電化學和熱穩定性。因而，本發明提供在無水/高溫環境中具有優異的電化學和熱穩定性的聚合物電解質膜。

本發明還提供用于聚(苯乙烯-嵌段-2-組胺甲基丁烯甲酸酯)聚合物電解質膜的嵌段共聚物，該聚合物為新型聚合物鏈。

本發明還提供使用聚合物電解質膜的燃料電池。

一方面，本發明提供通過使由化學式1表示的嵌段共聚物與含有含氟陰離子和咪唑鎓鹽陽離子的離子液體進行化學反應而結合的聚合物電解質膜，該離子液體由化學式2表示，

其中x是10～1000，并且y是10～1000，并且

其中R₁和R₂獨立地為氫和C₁～C₃₀烷基，并且X^-選自BF₄^-、PF₆^-、C₂F₆NO₄S^-、Cl^-、OH^-、Br^-和CF₃SO₃^-。