[发明专利]质子传导电解质以及含有其的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于燃料电池材料的质子传导电解质以及含有它的 燃料电池，且更特别地，涉及一种质子传导电解质，其具有良好质子传导 性的并且在使用其形成的膜中具有良好的柔性，由此用于燃料电池的电解 质膜以及其电极中，并可提供在非潮湿或者50％或更小的相对湿度下在 100-200℃的工作温度下具有高电流密度、高功率以及长寿命的固体聚合物 燃料电池，且还涉及包括该质子传导电解质的燃料电池。

背景技术

氟化聚乙烯磺酸广泛用于形成用于盐电解以及海水脱盐、水处理等的 燃料电池用电解质膜，因为该膜拥有高质子传导性以及优异的化学稳定性。 例如，Nafion膜、Flemion膜、Aciplex膜、Dow膜(产品名称)等是可以商购。 然而，这些电解质膜包含氟，因此，这些膜对环境有负面影响，并且它们 也很昂贵。

对于不包含氟的电解质膜，提出了作为用于水处理的离子交换树脂或 离子交换膜的聚苯乙烯磺酸等，以及用于燃料电池的磺化芳族聚合物(日本 公开No.hei11-502245，T.Kobayashi，M.Rikukawa，K.Sanui，N.Ogata，Solid State Inoics，106，1998，p.219)。然而，这些膜缺乏燃料电池所需要的基本耐 热性和化学稳定性。

另外，在燃料电池的发电效率或者系统效率以及组分的长时间的稳定 性等方面，需要在非潮湿或者50％或更小的相对湿度下在100-200℃的工作 温度下长时间具有良好电产生性能的燃料电池。然而，当上述材料用于电 解质膜时，不能实现稳定的性能。

为了改善燃料电池的电产生性能，在电解质膜材料中使用的芳族聚合 物的官能团的引入率增加，而且因此质子传导性得到改善。但是随着官能 团引入率越高，当形成作为电解质膜的膜时柔性下降，且该膜可能是易碎 的。

本发明的发明人已进行了研究以解决该问题，并且发现聚酰胺酸 (polyamidic acid)能够形成膜，即使在以高引入率使用sulfomide基团时在膜 形成后也可保持柔性，并且可使用聚酰胺酸作为前体获得具有高质子传导 性和良好柔性的聚酰胺酸衍生物，由此完成了本发明。

发明内容

本发明提供一种适于用于固体聚合物燃料电池的质子传导电解质，其 具有良好的质子传导性以及在使用其形成的膜中的良好柔性，并且在上述 的工作条件下长时间具有稳定的电产生性能，和还提供包括该质子传导电 解质的燃料电池。

根据本发明的一方面，提供包含聚酰胺酸的质子传导电解质，其中羧 基或者氨基磺酸基团作为侧链用于包括烷基作为主链的聚酰胺中。

优选，聚酰胺酸衍生物由下式(1)表示：

式(1)

其中Ar代表芳族环或者包含芳族环的基团，R是烷基基团，0≤a≤2， 0≤b≤2以及a+b＝2，且n为平均聚合度且为100-300,000之间的整数。

另外，在质子传导电解质中，式1的聚酰胺酸衍生物中的R优选为 C3-C12烷基。

在质子传导电解质中，聚酰胺酸衍生物是其中作为聚酰胺酸侧链的羧 基基团被全部或部分磺酰胺化(sulfamidized)的化合物。

聚酰胺酸衍生物通过如下得到：将作为聚酰胺酸侧链的羧基基团全部 或部分羰基氯化，使所得产物与氨基磺酸三乙胺盐反应，然后阳离子交换 所得产物。

在本发明的另一方面，提供一种燃料电池，包含一对电极和插入该对 电极之间的电解质膜，其中该电解质膜包含该质子传导电解质。

在燃料电池中，质子传导电解质包含在部分电极中。

同时，基于尽管大分子量，具有高的质子传导性和耐热性的聚乙烯基 氨基磺酸可以由具有良好溶解性和耐热性的前体制备的事实，本发明提供 一种质子传导电解质，包含由下式2表示的聚乙烯基氨基磺酸共聚物：

式(2)

其中R₁为H、COOH、CONHSO₃H或者芳香基，R₂为H或CH₃， R₃为COOH、烷氧基、卤素、酯基或芳香基，且m和n各自为平均聚合度 且为100-1,000,000之间的整数。

燃料电池包括一对电极和插入该对电极之间的电解质膜，其中该电解 质膜含有质子传导电解质。