[發明專利]聚烯烴-全氟環丁基(PFCB)離聚物

有效

• 申請號: 201310556438.3
• 申請日: 2013-08-30
• 公開（公告）號: CN103665407A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: T·J·富勒;L·鄒;M·R·謝內維斯
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: C08J5/22
• 分類號: C08J5/22;C08G81/02;C08G81/00;H01M8/02;H01M8/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 韋欣華;梁謀

本發明涉及用于燃料電池的離子傳導膜。

背景技術

在質子交換膜類型燃料電池中，氫作為燃料供應給陽極，氧作為氧化劑供應給陰極。氧可以是純氧(O₂)或空氣形式(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料電池通常具有膜電極組件(“MEA”)，其中固體聚合物膜在一個面上具有陽極催化劑，在另一個面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極層和陰極層是由多孔傳導性材料，例如編織石墨、石墨化片材或炭紙，構成以使燃料能夠分散朝向燃料供給電極的膜表面上。通常，離子傳導聚合物膜包括全氟磺酸(PFSA)離聚物。

每個催化劑層都有細碎的催化劑顆粒(例如，鉑顆粒)，負載于炭顆粒上，以促進陽極上氫的氧化，和陰極上氧的還原。質子從陽極穿過離子傳導聚合物膜流向陰極，在那里質子與氧混合形成水，其從電池中排出。

MEA夾于一對多孔氣體擴散層(“GDL”)之間，其又夾于一對導電流場元件或板之間。該極板充當陽極和陰極的集流器作用，并包含形成在其中的合適的通道和開口以將燃料電池的氣態反應物分配到各自的陽極和陰極催化劑表面上。為了高效發電，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須是薄的、化學穩定的、可傳導質子的，不導電的和不透氣的。在典型的應用中，燃料電池以堆疊的許多單獨的燃料電池的陣列提供，以提供高水平的電力。

在許多燃料電池應用中，電極層由油墨組合物構成，所述組合物包含貴金屬和全氟磺酸聚合物(PFSA)。例如，PFSA通常在質子交換膜燃料電池的電極層制造中添加到Pt/C催化劑油墨中，該Pt/C催化劑油墨，從而為分散的Pt納米顆粒催化劑提供質子傳導性和提供多孔碳網絡的結合。傳統燃料電池催化劑結合了表面上沉積有鉑的炭黑和離聚物。炭黑提供了(部分)高表面積傳導基質。沉積的鉑提供了催化性能，以及離聚物提供了質子傳導組分。電極由包含炭黑催化劑和離聚物的油墨形成，它們經過干燥相結合形成了電極層。

因此，本發明提供了制備用于燃料電池應用的離子傳導膜的改進方法。

發明概述

本發明通過在至少一個實施方案中提供一種制備離子傳導膜的方法，解決了現有技術的一個或多個問題。該方法包括使具有通式1的化合物與具有聚合物片段2的聚合物反應以形成具有聚合物片段2和聚合物片段3的共聚物的步驟：

隨后將該具有聚合物片段2和聚合物片段3的共聚物形成離子傳導膜，

其中：

Z為C_6-80脂族基團、聚醚或全氟聚醚；

Y為二價連接基團；

E₀為含烴部分；

Q₁為全氟環丁基部分；

P₁、P₂各自獨立地為不存在、-O-、-S-、-SO-、-CO-、-SO₂-、-NH-、-NR₂-或-R₃-；

R₂為C_1-25烷基、C_1-25芳基或C_1-25亞芳基；和

R₃為C_1-25亞烷基，C_1-25全氟亞烷基、全氟烷基醚、烷基醚或C_1-25亞芳基。

在本發明的另一實施方案中，提供了一種制備離子傳導膜的方法。該方法包括：

a)使具有通式1的化合物與具有聚合物片段4的聚合物反應：

以形成具有聚合物片段5的共聚物：

b)將該具有聚合物片段5的共聚物形成離子傳導膜，其中：

n為5至60的數；

Q₁為全氟環丁基部分；

E₁為含芳香族部分；

Z為C_6-80脂族基團、聚醚或全氟聚醚；和

Y為二價連接基團。

本發明的另一實施方案中，提供了一種制備離子傳導膜的方法。該方法包括：

a)使具有通式1的化合物與具有通式6的聚合物反應：

以形成具有聚合物片段7的共聚物：

b)將該具有聚合物片段7的共聚物形成離子傳導膜，其中：

n為5至60的數；

Q₁為全氟環丁基部分；