[發明專利]一種燃料電池用聚合物電解質膜

在審

• 申請號: 201710100672.3
• 申請日: 2017-02-23
• 公開（公告）號: CN107146903A
• 公開（公告）日: 2017-09-08
• 發明（設計）人: 王英;甘中學
• 申請（專利權）人: 寧波市智能制造產業研究院
• 主分類號: H01M8/1046
• 分類號: H01M8/1046
• 代理公司: 余姚德盛專利代理事務所(普通合伙)33239
• 代理人: 吳曉微

技術領域

本發明一般涉及電化學設備領域，特別是燃料電池領域,尤其涉及基于聚合物電解質膜的燃料電池的酸-堿質子傳導聚合物電解質膜。

背景技術

由于其無污染特性，燃料電池已被定義為有前途的電源，用于便攜式電子設備、電動汽車和其他應用場合。在各種燃料電池系統中，基于聚合物電解質膜的燃料電池技術：聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)和直接甲醇燃料電池(DMFC)吸引了眾多研究者的興趣，主要是由于其高功率密度和高能量轉換效率的特性。聚合物電解質膜燃料電池的“心臟”，即所謂“膜電極”(MEA)，其中包括一個薄的固體質子導電聚合物膜和膜上有一對電極層(即，陽極和陰極)，以及分散在膜的相對表面上的催化劑。

已知的質子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池的例子有杜邦公司的和陶氏化學公司的類似產品。這些全氟化碳氫硫酸酯離子交聯聚合物產品在應用于高溫氫/空氣聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)和直接甲醇燃料電池(DMFC)時會有極大的缺陷和不足。燃料電池的溫度超過80℃時，失去質子導電性能，另外，具有非常高的甲醇交換滲透率，從而阻礙了它直接應用于甲醇燃料電池。巴拉德動力系統的美國專利5773480中中描述了一種從α，β，β-三氟化苯乙烯演變而來的部分氟化的質子導電膜，這種膜的缺點是它的制造成本高(由于單體的合成工藝復雜，α，β，β-三氟苯乙烯聚磺化能力差)。該膜的另一個缺點是，它是非常脆，因此必須被引入支撐體系。

美國專利6300381號和6194474(Kerres)描述了一種質子酸-堿-二元聚合物共混體系的質子導電膜。一方面這些膜能夠降低甲醇的滲透，并且具有一定的彈性，但是另一方面由于二元系統的局限性很難調整膜的機械性質。

本文引用參考的WO01/94450專利，利用三元混合體系制備質子傳導膜，其中增加了彈性體的聚合物，以提高質子導電性與降低甲醇滲透率。

然而在燃料電池中的一個良好的質子傳導膜的需要平衡各種性能，例如，質子電導率，保水能力，高溫應用性能，快速啟動DMFCs和保持電芯的溫度是很重要的。此外，在高溫下保持膜的尺寸穩定性是非常重要的一項性能。在直接甲醇燃料電池的應用情況下，甲醇交叉滲透和化學反應產生足夠的熱量，提高了電池的溫度，溫度升高時如果膜顯著膨脹，就會造成更多的甲醇交叉滲透，進而更高的電池溫度。質子傳導膜從而逐漸喪失阻止甲醇交叉滲透能力，導致電池性能的退化。膜的尺寸變化也給的膜電極組件(MEA)的結合帶來負面影響。通常膜過度膨脹后長時間的結果就是膜與電極分離。因此，保持溫度的尺寸穩定性并避免過多的膜腫脹對直接甲醇燃料電池的應用非常重要。

在現有的技術中，交聯劑常常用來把分子鏈通過共價鍵鍵和在一起，例如用于水純化的交聯的磺化聚苯乙烯，但是交聯劑通常會降低質子導電性和導致膜變脆易碎，因此需要開發一種空間尺寸穩定劑來使膜的尺寸保持穩定，同時又不會顯著降低膜的導電性。

此外，大多數現有的質子傳導膜的形狀并沒有經過最大限度地優化，以創造一種更好的膜的結構，使得它同時能夠提供高電導率、低甲醇交叉滲透率，和良好的尺寸穩定性和保水能力。嵌段共聚物更有利于調節膜層性能，由于其獨特的域大小和能夠在聚合物體系中保留自己的大部分特性，以便調節膜的所需特性。因此，可取的是發明嵌段共聚合物膜，其擁有高電導率，低甲醇交叉滲透性能，良好的尺寸穩定性，良好的保水能力，通過其多組分功能分組調節。

發明內容

本發明的目的是提供一種質子導電聚合物共混膜，通過引入多種功能結構改性使膜具有良好的保水性、尺寸穩定性，粘附能力，低甲醇滲透率，良好的機械性能；本發明的另一個目的，是提供一種最大限度優化的質子導電聚合物共混膜，具有高質子電導率，低甲醇交叉滲透率，良好的保水能力，尺寸穩定性，和附著/粘接能力；本發明另一個目的是提供一種使用本項發明中的質子導電聚合混合物膜的PEMFC和DMFC。