[发明专利]传导质子的电解液

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年5月8日提交的美国申请序列号11/745,834的优先权，其内容通过引用结合在此。

发明领域

本发明总体上涉及阳离子传导聚合物。更具体地讲，本发明涉及用于燃料电池的阳离子传导聚合物。

背景

燃料电池是一种能量转换装置，该装置使燃料，如氢气以及氧气，发生电化学反应以产生电流。一种具体类型的燃料电池是质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池具有大约80℃的工作温度，这使它们对多种应用是有利的，特别是汽车应用。

PEM燃料电池总体上包括一个或多个电连接的膜电极组件(MEA)。每个MEA包括由一种固体电解质分隔开的一个阳极和一个阴极，该固体电解质允许质子穿过其中传递。该固体电解质典型地是处于一种隔膜的形式。这些MEA被安置在流动场之间，这些流动场提供了透过与隔膜相对的阳极表面的氢气的分布以及透过与隔膜相对的阴极表面的氧气的分布。为了催化在阳极和阴极处的反应，将催化剂沉积在这些电极的表面上。在PEM燃料电池中所使用的典型的催化剂是铂。

在工作过程中，氢气被供应至阳极上而氧气被供应至阴极上以产生一个电流。氢气与氧气通过以下反应过程在适当的电极发生反应：

阳极：2H₂→4H⁺+4e^-

阴极：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

总反应：2H₂+O₂→2H₂O+e^-

在阳极处，氢气被离解成氢离子和电子。氢离子穿过隔膜渗透至阴极，而电子通过外电路流至阴极。在阴极处，氧气与氢离子和电子反应以形成水。通过外电路从阳极至阴极的电子流动可以被用作一个电源。

在PEM燃料电池中所使用的固体电解质是一种酸性的阳离子传导聚合物。聚合物的酸性允许质子从阳极传递至阴极而阻止电子从中传递通过。磺化的氟聚合物对于用在PEM燃料电池中的酸性阳离子传导聚合物是最受欢迎的选择。这些聚合物中最普遍的一种是(DuPont的注册商标)。磺化的氟聚合物受欢迎之处是由于它们的高耐化学性、形成非常薄的膜的能力、以及由于它们吸收水的能力而造成的高传导率。磺化的氟聚合物类吸收大量水的能力是由于聚合物之内的磺酸基团的亲水性质。这些磺酸基团提供了在聚合物之内的水合区域的形成，这些水合区域由于对磺酸基团有一种更弱的吸引而允许氢离子更自由地移动穿过该聚合物。在氢离子和磺酸基团之间的更弱的吸引增加了聚合物的传导率，由此增加了燃料电池的性能。这样，氢离子的传导率是直接与磺化的氟聚合物的水合的量成比例的。

由于在PEM燃料电池中电解质的水合作用是一个重要的考虑因素，在PEM燃料电池中的空气的湿度必须谨慎地进行监测和控制。若空气具有太高的湿度，则电池将会被淹没在燃料电池工作过程中所产生的水中，由于电极孔的堵塞而导致性能下降。若空气具有太低的湿度，则电解质可能干透，从而降低了电解质的传导率，导致降低的燃料电池性能。这样，控制系统和增湿系统必须与PEM燃料电池一起使用。使用这些系统能够不利地影响PEM燃料电池系统的成本、尺寸、以及质量。这样，在本领域中存在对在低湿度环境中提供高传导率的阳离子传导聚合物类的一种需要。

发明概述

在此描述的是一种阳离子传导聚合物，该聚合物包括一种给出质子的聚合物以及一种氧碳酸。氧碳酸可以包括选自下组的一种或多种酸，该组的构成为：方形酸、δ酸、克酮酸、以及玫棕酸。这种阳离子传导聚合物可以在小于25％的相对湿度、20℃到120℃范围的温度下表现出大于0.020S/cm的阳离子传导率。这种给出质子的聚合物可以包括一种磺酸基团。阳离子传导聚合物可以包括磺化的聚砜。根据本发明可以使用的其他给出质子的聚合物类包括磺化的聚醚酮类、磺化的聚苯乙烯类、磺化的聚亚苯基类、磺化的三氟苯乙烯类、磺化的聚磷腈类、磺化的氟聚合物类、聚苯硫醚类、包含一个或多个氟化的磺酰胺基团的聚合物类、两性离子紫罗烯类、离聚物类、磺化的聚酰胺类、磺化的聚吡咯类、磺化的有机硅类、用磷酸掺杂的聚苯并咪唑、全氟代磺酸酯、以及它们的任何衍生物。氧碳酸与给出质子聚合物的给出质子基团的摩尔比可以在0.1到2.0的范围内，优选在0.25到0.75的范围内。