[发明专利]一种燃料电池用聚合物电解质膜

说明书

技术领域

本发明一般涉及电化学设备领域，特别是燃料电池领域,尤其涉及基于聚合物电解质膜的燃料电池的酸-碱质子传导聚合物电解质膜。

背景技术

由于其无污染特性，燃料电池已被定义为有前途的电源，用于便携式电子设备、电动汽车和其他应用场合。在各种燃料电池系统中，基于聚合物电解质膜的燃料电池技术：聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)吸引了众多研究者的兴趣，主要是由于其高功率密度和高能量转换效率的特性。聚合物电解质膜燃料电池的“心脏”，即所谓“膜电极”(MEA)，其中包括一个薄的固体质子导电聚合物膜和膜上有一对电极层(即，阳极和阴极)，以及分散在膜的相对表面上的催化剂。

已知的质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的例子有杜邦公司的和陶氏化学公司的类似产品。这些全氟化碳氢硫酸酯离子交联聚合物产品在应用于高温氢/空气聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)时会有极大的缺陷和不足。燃料电池的温度超过80℃时，失去质子导电性能，另外，具有非常高的甲醇交换渗透率，从而阻碍了它直接应用于甲醇燃料电池。巴拉德动力系统的美国专利5773480中中描述了一种从α，β，β-三氟化苯乙烯演变而来的部分氟化的质子导电膜，这种膜的缺点是它的制造成本高(由于单体的合成工艺复杂，α，β，β-三氟苯乙烯聚磺化能力差)。该膜的另一个缺点是，它是非常脆，因此必须被引入支撑体系。

美国专利6300381号和6194474(Kerres)描述了一种质子酸-碱-二元聚合物共混体系的质子导电膜。一方面这些膜能够降低甲醇的渗透，并且具有一定的弹性，但是另一方面由于二元系统的局限性很难调整膜的机械性质。

本文引用参考的WO01/94450专利，利用三元混合体系制备质子传导膜，其中增加了弹性体的聚合物，以提高质子导电性与降低甲醇渗透率。

然而在燃料电池中的一个良好的质子传导膜的需要平衡各种性能，例如，质子电导率，保水能力，高温应用性能，快速启动DMFCs和保持电芯的温度是很重要的。此外，在高温下保持膜的尺寸稳定性是非常重要的一项性能。在直接甲醇燃料电池的应用情况下，甲醇交叉渗透和化学反应产生足够的热量，提高了电池的温度，温度升高时如果膜显著膨胀，就会造成更多的甲醇交叉渗透，进而更高的电池温度。质子传导膜从而逐渐丧失阻止甲醇交叉渗透能力，导致电池性能的退化。膜的尺寸变化也给的膜电极组件(MEA)的结合带来负面影响。通常膜过度膨胀后长时间的结果就是膜与电极分离。因此，保持温度的尺寸稳定性并避免过多的膜肿胀对直接甲醇燃料电池的应用非常重要。

在现有的技术中，交联剂常常用来把分子链通过共价键键和在一起，例如用于水纯化的交联的磺化聚苯乙烯，但是交联剂通常会降低质子导电性和导致膜变脆易碎，因此需要开发一种空间尺寸稳定剂来使膜的尺寸保持稳定，同时又不会显著降低膜的导电性。

此外，大多数现有的质子传导膜的形状并没有经过最大限度地优化，以创造一种更好的膜的结构，使得它同时能够提供高电导率、低甲醇交叉渗透率，和良好的尺寸稳定性和保水能力。嵌段共聚物更有利于调节膜层性能，由于其独特的域大小和能够在聚合物体系中保留自己的大部分特性，以便调节膜的所需特性。因此，可取的是发明嵌段共聚合物膜，其拥有高电导率，低甲醇交叉渗透性能，良好的尺寸稳定性，良好的保水能力，通过其多组分功能分组调节。

发明内容

本发明的目的是提供一种质子导电聚合物共混膜，通过引入多种功能结构改性使膜具有良好的保水性、尺寸稳定性，粘附能力，低甲醇渗透率，良好的机械性能；本发明的另一个目的，是提供一种最大限度优化的质子导电聚合物共混膜，具有高质子电导率，低甲醇交叉渗透率，良好的保水能力，尺寸稳定性，和附着/粘接能力；本发明另一个目的是提供一种使用本项发明中的质子导电聚合混合物膜的PEMFC和DMFC。