[发明专利]聚砜及采用它的电解质膜以及采用该电解质膜的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及聚砜及采用它的电解质膜，以及采用该电解质膜的燃料电池，更具体地，本发明涉及具有优异酸保持能力的聚砜，包含该聚砜的聚砜共混物，该聚砜的交联产物，采用该具有优异离子电导率和机械强度的聚砜的电解质膜，以及采用该电解质膜而具有高效率和高能量密度的燃料电池。

背景技术

全氟化聚合物常用作燃料电池中的膜，其具有高热化学稳定性和高离子电导率。然而，在100℃或更高的工作温度下，全氟化聚合物的离子电导率因为膜中水的蒸发而显著地降低。通常，与在低温下工作的燃料电池相比，在100℃或更高的高温下工作的燃料电池更少地遭受催化剂的CO中毒，并具有更高的催化剂活性和更高的输出。另外，能够容易处置于高温下工作的燃料电池中所用的水，并且能够容易实现燃料电池的小型化。全氟化聚合物膜因其高热化学稳定性和优异机械性能而广泛地应用于该领域；然而，却限于在100℃或更低的温度下使用，因为用于全氟化聚合物膜中以传递氢离子的水在100℃或更高温度下蒸发，致使全氟化聚合物膜的离子电导率显著地降低。该问题可以通过加入杂多酸来解决，也可以利用无机材料如SiO₂通过形成复合物来解决。

使用杂多酸会使燃料电池的工作温度升高，但是杂多酸却溶解于水中。所形成的复合物在130℃或更高温度下的水保持能力低，因而采用复合物的膜的离子电导率降低。

美国专利US 5525436公开一种在高温下工作的膜，其中聚苯并咪唑与传导氢的强酸(如磷酸或硫酸)而不是与水络合。然而，尽管这种与强酸络合的凝胶型电解质膜随着所络合的强酸的量的增加而具有较高的氢离子传导率，但是这种凝胶型电解质膜的氢离子传导率仍然需要提高。

发明内容

本发明提供具有优异的酸保持能力的聚砜，包含该聚砜的聚砜共混物，该聚砜的交联产物，及采用该聚砜的电解质膜，所述聚砜共混物以及聚砜的交联产物具有高离子电导率和优异的机械强度。

本发明还提供包括所述电解质膜因而具有高燃料效率和高能量密度的燃料电池。

根据本发明的一个方面，提供一种聚砜，其包含下面的式1所示的重复单元：

式中

为或者

其中X为单键，-CH₂-，-C(CH₃)₂-，-C(CF₃)₂-，-C(CCl₃)₂-，-C(＝O)-，或者-O-；

R₁各自独立为相同或不同的单取代或多取代基，且R₁可以为伯氨基，仲氨基，叔氨基，季铵盐基，C₄-C₃₀烷基杂芳基吡啶鎓盐基，C₄-C₃₀芳基杂芳基吡啶鎓盐基，或者C₄-C₃₀芳烷基杂芳基吡啶鎓盐基；及

R包括至少一个选自氢，C₁-C₂₀烷基，C₆-C₂₀芳基，C₁-C₂₀烷氧基，及C₆-C₂₀芳氧基中的基团。

根据本发明的另一方面，提供一种包含所述聚砜和热塑性树脂的聚砜共混物(blend)。

所述热塑性树脂包括至少一种选自聚苯并咪唑、聚苯并噁唑、聚吡啶和聚嘧啶的化合物，其量按100重量份的聚砜计为10～80重量份。

根据本发明的另一方面，提供一种聚砜的交联产物，其为交联剂与聚合物Q的交联反应产物，所述聚合物Q选自所述聚砜以及所述聚砜与热塑性树脂的混合物。

所述交联剂是具有环氧或异氰酸酯官能团的化合物，其量按100重量份的聚合物Q计为0.1～20重量份。

根据本发明的另一方面，提供一种电解质膜，其包含：聚砜；及酸。酸的量按100重量份以酸浸渍的电解质膜的总重量计为300～1000重量份。所述酸包括选自下列中的至少一种酸：磷酸，硫酸，及其衍生物。

根据本发明的另一方面，提供一种电解质膜，其包含：聚砜与热塑性树脂的聚砜共混物；及酸。

根据本发明的另一方面，提供一种电解质膜，其包含：聚砜与交联剂的交联产物，或者聚砜、热塑性树脂和交联剂的交联产物；及酸。

根据本发明的另一方面，提供一种燃料电池，其包括：阴极；阳极；及介于所述阴极和阳极之间的电解质膜。

附图说明