專利名稱：聚合物膜組合物、聚合物膜、膜電極組件和燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于燃料電池的聚合物膜組合物、由其制成的聚合物膜、包括所述 聚合物膜的膜電極組件(MEA)以及包括所述膜電極組件的燃料電池。
背景技術：
燃料電池是一種通過諸如甲醇、乙醇和天然氣等烴類材料所包含的氫氣(H2)和 氧氣(O2)的電化學氧化還原反應產生電能的發(fā)電系統(tǒng)。這種燃料電池是一種可替代化石燃料的清潔能源，它包括由電池單元組成的電 池堆，且具有產生不同范圍的功率的優(yōu)點。由于燃料電池的能量密度為小型鋰電池的四 至十倍，不釋放NOx或CO2,且沒有噪音，因而已作為下一代能量轉換器而引人注目。燃料電池的代表性實例包括聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)和直接氧化燃料 電池(DOFC)。用甲醇作為燃料的直接氧化燃料電池稱為直接甲醇燃料電池(DMFC)。聚合物電解質燃料電池不僅具有高能量密度和功率的優(yōu)點，也存在需要小心處 理氫氣和輔助設備的問題，例如為了產生氫氣用于再形成諸如甲烷、甲醇和天然氣等燃 料氣體的燃料重整處理器。相反，直接氧化燃料電池的能量密度要比聚合物電解質膜燃料電池低，但具有 液態(tài)燃料易于處理、操作溫度低且無需另外的燃料重整處理器的優(yōu)點。在上述燃料電池中，實際上產生電的電池堆包括多層堆疊的幾個到幾十個單元 電池，每個單元電池由膜電極組件(MEA)和隔板(也稱為雙極板)組成。膜電極組件包 括彼此相連且在其間具有電解質膜的陽極(稱為燃料電極或氧化電極)和陰極(稱為空氣 電極或還原電極)。燃料供應給陽極并吸附在陽極催化劑上，然后被氧化產生質子和電子。電子經 外電路傳輸?shù)疥帢O，質子通過電解質膜傳輸?shù)疥帢O。另外，氧化劑供應給陰極。然后， 氧化劑、質子和電子在陰極的催化劑上反應產生電和水。用于燃料電池的聚合物膜可包括聚芳醚砜聚合物膜，The Journal OiMembrane Science(197 (2002) 231)公開了一種用不包含可交聯(lián)基團的聚芳醚砜聚合物制備聚合物膜 的方法。然而，當不包含可交聯(lián)基團的聚芳醚砜合成為膜并用于燃料電池時，隨著陽離 子交換基團含量漸增，存在聚合物膜變薄且機械性能惡化的問題。由于隨著含量為50% 或更高的包括陽離子交換基團的單體含量漸增，吸收的水漸增，這會產生膨脹現(xiàn)象，所 以也可以說聚合物膜具有較差的尺寸穩(wěn)定性和機械性能。因此，聚合物膜需要彌補低機 械性能。發(fā)明摘要本發(fā)明的一個示例性實施方式提供機械性能優(yōu)異、離子電導率高且燃料滲透率 低的燃料電池用聚合物膜組合物。本發(fā)明的另一個實施方式提供用所述聚合物膜組合物制備的聚合物膜。本發(fā)明的又一個實施方式提供包括所述聚合物膜的膜電極組件。本發(fā)明的又一個實施方式提供包括含有聚合物膜的膜電極組件的燃料電池。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，提供一種用于燃料電池的聚合物膜組合物，包 括包括陽離子交換基團和含碳雙鍵可交聯(lián)基團的聚合物；包括陽離子交換基團的(甲 基)丙烯酸類化合物；和聚合引發(fā)劑。所述聚合物包括約0.3 2.5mmol/g的陽離子交換基團(或離子交換容量(IEC)) 和約0.1 3.0mmol/g的可交聯(lián)基團。聚合物可選自聚砜類聚合物、聚醚酮類聚合物、聚醚類聚合物、聚酯類聚合 物、聚苯并咪唑類聚合物、聚酰亞胺類聚合物或它們的組合中。聚合物包括由以下化學通式1表示的重復單元。[化學通式1]
權利要求
1.一種用于燃料電池的聚合物膜組合物，包括聚合物，包括陽離子交換基團和含碳雙鍵可交聯(lián)基團； 包括陽離子交換基團的(甲基)丙烯酸類化合物；和 聚合引發(fā)劑。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池的聚合物膜組合物，其中所述聚合物選自聚砜 類聚合物、聚醚酮類聚合物、聚醚類聚合物、聚酯類聚合物、聚苯并咪唑類聚合物、聚 酰亞胺類聚合物或它們的組合中。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池的聚合物膜組合物，其中所述聚合物包括 0.3 2.5mmol/g的陽離子交換基團。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池的聚合物膜組合物，其中所述聚合物包括 0.1 3.0mmol/g的可交聯(lián)基團。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池的聚合物膜組合物，其中所述聚合物包括由以 下化學通式1表示的重復單元[化學通式1]其中，在上述化學通式1中，R1和R2相同或不同，且為氫、Cl ClO的烷基、C2 ClO的烯基、C6 C20的 芳基、硝基、胺基、磺酸基、磷酸基、羧酸基或砜酰亞胺基，前提是艮和艮中至少一個 是磺酸基、磷酸基、羧酸基或砜酰亞胺基；R3和R4相同或不同，且為氫、-CF3、Cl C20的烷基、C2 C20的烯基、C6 C20的芳基或硝基；R5和R6相同或不同，且為氫、Cl ClO的烷基、C6 C20的芳基、硝基、胺基、 C2 C20的烯基、烯丙基或(甲基)丙烯?；?，前提是R5和R6中至少一個是C2 C20 的烯基、烯丙基或(甲基)丙烯?；?；且p、r、s和t相同或不同，且為0 4的整數(shù)，前提是ρ和r不同時為零，s和t不同 時為零。
6.根據(jù)權利要求5所述的用于燃料電池的聚合物膜組合物，其中C2 C20的烯基為
7.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池的聚合物膜組合物，其中所述聚合物由以下化 學通式2表示[化學通式2]
8.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池的聚合物膜組合物，其中所述聚合物的數(shù)均分 子量為 100000 1500000。
9.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池的聚合物膜組合物，其中所述(甲基)丙烯酸 類化合物選自以下化學通式4、5、6或者它們的組合中。[化學通式4][化學通式5]
10.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池的聚合物膜組合物，其中所述(甲基)丙烯 酸類化合物為磺化(甲基)丙烯酸類化合物。
11.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池的聚合物膜組合物，其中所述(甲基)丙烯酸 類化合物選自丙烯酸-3-磺丙酯、甲基丙烯酸-3-磺丙酯、2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙 磺酸或它們的組合中。
12.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池的聚合物膜組合物，其中基于100重量份的 包括陽離子交換基團和含碳雙鍵可交聯(lián)基團的聚合物，所述(甲基)丙烯酸類化合物的含 量為1 30重量份。
13.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池的聚合物膜組合物，其中基于包括陽離子交 換基團和含碳雙鍵可交聯(lián)基團的聚合物100重量份，所述(甲基)丙烯酸類化合物的含量 為1 20重量份。
14.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池的聚合物膜組合物，其中所述聚合引發(fā)劑包 括紫外線聚合弓I發(fā)劑或熱聚合弓I發(fā)劑。
15.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池的聚合物膜組合物，其中基于100重量份的 所述聚合物和所述(甲基)丙烯酸類化合物，所述聚合引發(fā)劑的含量為1 10重量份。
16.—種用于燃料電池的聚合物膜，包括通過根據(jù)權利要求1 15中任意一項所述的用于燃料電池的聚合物膜組合物的交聯(lián) 反應來制備的交聯(lián)聚合物。
17.—種膜電極組件，包括權利要求16所述的用于燃料電池的聚合物膜；和在所述聚合物膜兩側的電極，其中，所述電極包括催化劑層和氣體擴散層。
18.—種燃料電池，包括權利要求17所述的膜電極組件；和 位于所述膜電極組件兩側的雙極板。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于燃料電池的聚合物膜組合物、由其制備的聚合物膜、包括該聚合物膜的膜電極組件(MEA)和包括該膜電極組件的燃料電池。所述聚合物膜組合物包括包括陽離子交換基團和含碳雙鍵可交聯(lián)基團的聚合物；包括陽離子交換基團的(甲基)丙烯酸類化合物；和聚合引發(fā)劑。
文檔編號H01M8/02GK102020753SQ20091025892
公開日2011年4月20日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權日2009年9月10日
發(fā)明者崔容碩, 李明鎮(zhèn), 金泰炅 申請人:第一毛織株式會社