[發明專利]一種高透氧性的離聚物

有效

• 申請號: 201711043080.9
• 申請日: 2017-10-31
• 公開（公告）號: CN109721735B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 邵芳可;陳廣明;陳橋
• 申請（專利權）人: 東麗先端材料研究開發（中國）有限公司
• 主分類號: C08G77/46
• 分類號: C08G77/46;H01M4/86
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種高透氧性的離聚物，其具有極高的透氧性還能夠在低相對濕度的條件下表現出極高的質子導電性。該高透氧性離聚物含有一個以上的含磺酸基的親水性鏈段A1和一個以上的含甲基硅氧烷不含磺酸基的疏水性鏈段A2。

技術領域

本發明涉及一種高透氧性離聚物，使用該高透氧性離聚物的燃料電池電極催化劑層及膜電極組件。

背景技術

燃料電池是通過電化學反應氧化燃料，例如：氫或甲醇，從而產生電能的發電器。近年來作為清潔能源供給源受到關注。特別是固體高分子型燃料電池，由于工作溫度低至約100℃，且具有較高的能量密度，因此預期可被廣泛應用于小規模的分散型發電設施以及汽車、船舶等移動體的發電裝置。另外，作為小型移動儀器、便攜儀器的電源也受到關注。

燃料電極(陽極)、氧電極(陰極)和安置在兩電極間的高分子電解質膜的結構稱為膜電極組件(簡稱MEA)，再以隔膜包裹膜電極組件形成單電池。再由單電池組合成一個完整的燃料電池。

在電極中設有由鉑等催化劑與離聚物(ionomer)形成的電極催化劑層。離聚物是大分子鏈上帶有一定量的可離子化基團的聚合物。在電極催化劑層中離聚物的主要作用是作為膠粘劑包覆催化劑顆粒，為催化劑層提供一定的力學性能，并將質子從聚合物電解質膜中傳導至催化劑顆粒上與氧發生反應。因此離聚物被要求有和聚合物電解質膜材料之間良好的相容性，并且具有高的質子導電率，能更好的傳導質子，以減少聚合物電解質膜和催化劑層之間的接觸電阻。同時還需要具有良好的透氧性，使氧能遍布于電極中。

目前為止，具有質子導電性的，以杜邦公司的Nafion(注冊商標)為代表的全氟磺酸系聚合物被廣泛的作為燃料電池的聚合物電解質膜材料。因此電極催化劑層中的離聚物一般也使用全氟磺酸系聚合物。但是全氟磺酸系聚合物具有合成困難，造價高，高溫耐久性不足，氫、甲醇等燃料透過率高，環境負荷高等缺點。因此，具有質子導電性的含磺酸基的碳氫鏈聚合物作為燃料電池聚合物電解質膜開發被越來越重視。例如，專利文獻1-6中磺化聚醚醚酮、磺化聚苯砜、磺化聚苯并咪唑、磺化聚酰亞胺等為主體的聚合物電解質膜。

這些材料本身極低的氣體透過性作為高分子電解質膜時能有效的阻止氫、甲醇等燃料從陽極透過到陰極，是極為突出的優點。但是使用到電極催化劑層中時，就產生了因透氧性低，催化劑顆粒無法接觸到氧氣，從而使得電池性能下降的新問題。同時這些材料也具有一些在高溫低加濕條件下質子導電率較低的缺點。

現有技術文獻

專利文獻1：中國專利CN105131289A

專利文獻2：中國專利CN104209023B

專利文獻3：中國專利CN106887628A

專利文獻4：中國專利CN101037506B

專利文獻5：中國專利CN101003636B

專利文獻6：中國專利CN101775149B。

發明內容

鑒于上述現狀，本發明提供一種高透氧性離聚物，用于電極催化劑層中，通過與聚合物電解質膜之間良好的相容性來獲得較低的接觸電阻。尤為突出的是在接近燃料電池運轉的任何濕度條件下均可表現出高透氧性，而且在為降低催化劑用量而將燃料電池運轉在高溫低加濕條件下也具有極高的質子導電率。本發明還提供使用該高透氧性離聚物的電極催化劑層和膜電極組件。

下面對本發明的方案進行具體說明。

本發明提供一種高透氧性離聚物，其含有一個以上的含磺酸基的親水性鏈段A1和一個以上的含甲基硅氧烷不含磺酸基的疏水性鏈段A2。

本發明中，鏈段是指上述高透氧性離聚物中的部分結構，表示由一種重復單元或多種重復單元的組合構成的，數均分子量2000以上的部分。