[发明专利]全氟离聚物纳米粒子分散液及其制造方法

说明书

本发明公开一种将具有离子导电性功能基的全氟离聚物分散于包括水与醇的混合溶剂并通过在超临界条件下的反应形成的离聚物纳米粒子分散液及其制造方法。离聚物纳米粒子分散液由于在作为液态的连续相(continuous phase)中的共沸混合物(azeotropic mixture)的含量较高而较容易去除溶剂，因此使用离聚物纳米粒子分散液的产品的成型较容易且可以降低制造成本。与此同时，在离聚物纳米粒子分散液中具有多种离子导电性功能基以及其各种盐形态的全氟离聚物以较窄的分子量分布而纳米分散，因此可以提高产品的均匀性。

技术领域

本发明涉及一种将具有多种离子导电性功能基及其多种盐形态的全氟离聚物纳米分散至包括水与醇的混合溶剂的离聚物纳米粒子分散液及其制造方法。

背景技术

聚合物电解质燃料电池(PEMFCs：Polymer electrolyte membrane fuel cells)是基于仅使氢离子(质子，H⁺)选择性地透过的聚合物电解质膜(PEM：Polymer electrolytemembrane)，而利用氢气的电催化反应(electro-catalytic reaction)产生高效率能源的无公害能源转换系统。

这种聚合物电解质燃料电池的聚合物电解质膜或者催化剂粘结剂(catalystbinder)的代表性的材料，可以例举出如杜邦公司的全氟磺酸(Nafion)等全氟磺酸离聚物(PFSA：Perfluorinated sulfonic acid ionomers)。

全氟磺酸离聚物(PFSA)以具有较高的氢离子导电性与出色的化学稳定性而众所周知，但在干燥状态下运转时，由于水的自发性蒸发而表现出氢离子导电性迅速降低的问题与在恶劣的条件下会发生化学/电化学性分解的致命弱点。为了解决这种问题而导入的概念为，在化学耐久性优秀的多孔性支撑体含浸有全氟系/部分含氟系/碳化氢系氢离子导电性离聚物的强化复合膜(PFM：pore-filling membrane)。

为了制造出有效的PFM，离聚物应该以完全溶解或分散于溶剂的状态制成。此时，在去除用于成膜(film formation)的溶剂时，为了解决环境问题、成型的简易性、溶剂的完全去除，优选使用水和醇的共溶剂替代有机溶剂。

上述的使用于聚合物电解质膜、催化剂粘结剂、PFM的制造的全氟磺酸离聚物通过乳液聚合制造，从而以水与异丙醇或者正丙醇共溶剂态的乳液状态使用。

迄今为止，为了制造全氟系、部分含氟系、碳化氢系离聚物纳米粒子分散液，进行了各种尝试。在J.Power Sources 2006，163，56，Electrochim.Acta.2007，52，4916，Electrochem.Soc.2007，154，B739，J.Power Sources 2007，169，271中尝试的部分氟系或者碳化氢系固态离聚物的情况下，只要不提高离聚物的亲水性，就无法使其溶解于水或者醇。并且，在具有较高的亲水性的离聚物作为聚合物电解质膜(PEM)或者催化剂粘结剂使用时，在燃料电池驱动中在高温加湿条件下被溶解/渗漏而引发聚合物电解质膜(PEM)与电极的层离(delamination)，从而显示出电化学性能迅速下降的问题。

另一方面，在使用有机溶剂替代水或醇，或者将一部分有机溶剂导入水与醇的共溶剂时，所导入的有机溶剂通过与离聚物的离子导电性功能基之间的强烈的二次结合(secondary bond)而残留，从而引发使电极中毒的问题。

目前为止，完全没有关于有效地纳米分散至包括水和醇的混合溶剂的碳化氢系以及部分含氟系离聚物纳米粒子分散液的制造方法的报告。因此，在制造电极时，作为催化剂粘结剂的用途，使用结构和化学性质完全不同的商用全氟磺酸离聚物(PFSA)乳液(emulsion)替代同类离聚物，从而长期诱发聚合物电解质膜(PEM)与电极层间的界面问题以及短寿命特性问题。