[发明专利]接枝聚合物

说明书

技术领域

本发明涉及新型的接枝聚合物、聚合物电解质膜、其制备方法以及使用该膜的燃料电池。

背景技术

迄今已知Nafion(DuPont)等作为用于聚合物电解质燃料电池的聚合物电解质，其是由疏水性链段和离子传导性链段组成的共聚物。已经将上述聚合物以通过成膜技术如浇铸制成的膜形式进行利用。

使用所述聚合物电解质膜时，水分供给(如电解质膜或电极的润湿)是实现有效运行聚合物电解质燃料电池所必需的。由于这种必要性，要求常规的聚合物电解质燃料电池装有复杂的管道系统，如使用泵、鼓风机等的水分供给系统以及用于调节气体温度或流速以容许生成的水分扩散的系统；驱动系统和控制系统。上述要求不仅约束了聚合物电解质燃料电池的尺寸和重量的减小(这是燃料电池的一个主要优点)，而且涉及多种困难，例如在低温燃料电池的情况下生成的水扩散时需要外部能量供给。

日本专利出版物(未经审查)No.5-283094(1993)公开了一种聚合物电解质膜，其包含例如Nafion(DuPont)和具有亲水性链段的聚乙烯醇的混合物。在基于所述电解质的燃料电池中，通过吸水或保水材料如聚乙烯醇使空气电极与燃料电极连接。收集燃料电池中在空气电极侧生成的水分以及从燃料电极侧迁移至所述空气电极侧的水分，通过表面张力经由上述吸水或保水材料使收集的水分迁移至所述燃料电极侧，从而提供所述燃料电极所必需的水分。该构造容许燃料电池在不存在复杂的水分控制的情况下工作，消除对用于润湿和用于供水的系统的需求，以及实现燃料电池尺寸的减小。

日本的第45届电池讨论会(the 45^th Battery Symposium)会议录，摘要676-677，2004公开了一种电解质膜，其通过如下方式制成：将聚乙烯醇(PVA)的水溶液、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)的水溶液和聚乙二醇(PEG)的水溶液以给定的混合比例混合，搅拌所得的混合物，以及将该混合物铺展在特氟隆片材等上用于浇铸。该文献还公开了交联膜，其通过使该PVA-AMPS-PEG混合物与戊二醛在丙酮等中的溶液反应给定时间而制成。

发明内容

根据日本专利出版物(未经审查)No.5-283094(1993)的公开内容，所得的聚合物电解质膜通过目视观察是不均匀的，因而质子传导性不足。

在日本的第45届电池讨论会会议录，摘要676-677，2004中公开的PVA/AMPS/PEG交联膜的质子传导性不足。另外，戊二醛主要与PVA的羟基交联，而几乎不与AMPS交联。因而，上述膜的性能不足，因为无法充分地控制所述膜的氢渗透性、甲醇渗透性等。由于不充分的交联，膜组分会不利地漏出，并且无法保持该膜的性能。

本发明的一个目的在于提供一种新型的接枝聚合物，其具有优异的质子传导性，可以调节氢渗透性、甲醇渗透性等，以及可以充当聚合物电解质膜的原料，该膜可促进燃料电池的水分平衡控制和有效运行。本发明的另一目的在于提供由上述接枝聚合物组成的聚合物电解质膜。

本发明人已经进行了集中研究以便实现上述目的。结果，他们发现，通过开发由特定主链和侧链的组合构成的接枝聚合物可以实现上述目的。他们还发现由所述接枝聚合物构成的聚合物电解质膜具有优异的质子传导性，可以调节氢渗透性、甲醇渗透性等，以及通过目视观察基本上是均匀的。因而，可以使水分自动在膜内均匀地循环，以及所述膜在高温和低加湿环境中显示优异的质子传导性。这使得完成本发明。

具体地，本发明的第一方面涉及具有新结构的接枝聚合物，其包含主链和接枝链，所述主链含有含羟基的聚合物，所述接枝链含有含磺酸基的单体。

如下所述多种类型的聚合物可被用作含羟基的聚合物。其特别优选的一个实例是聚乙烯醇(PVA)。

如下所述多种类型的单体可被用作含磺酸基的单体。其特别优选的实例包括2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)、2-(甲基)丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)及其盐。2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)是由下列化学式表示的单体。

在本发明的接枝聚合物中对主链与接枝链的比例没有限制，该主链含有含羟基聚合物，该接枝链包含含有含磺酸基的单体的聚合物。可以使所述含聚合物的主链与所述含聚合物的接枝链在宽范围的混合比下进行合成。本发明也包括如下接枝聚合物：其包含的含磺酸基的单体量相对于整个接枝聚合物是1-90mol％。