[发明专利]亲水性聚合物及其在电化学电池中的应用

说明书

本申请是申请号为02819812.3申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及导电的亲水性聚合物及其在电解池和电化学电池例如燃料电池中的应用。

背景技术

电解池中，输入电能产生净化学转换。常规电解池的共同特征在于需要输入大量电能从而以足够的速率驱动电解反应。此电能的支出使电池的效能降低。

电化学电池特别是燃料电池可以是膜电极组件(MEA)形式的。固体聚合物电解质燃料电池MEAs典型地有多层结构，包括(i)质子交换膜(PEM)、(ii)集电电极、和(iii)每侧的电-催化剂层。PEM依靠包含包埋阳离子部位从而允许阴离子传输而进行工作。同样地，固体聚合物电解质可包含固定的阴离子部位，其能优先传输阳离子。因此，以下提及PEM不是排他性的。

上述结构由离散元件组装而成，通过加热和加压粘合成MEA，装配在气体歧管间之前，使整个结构密封防止漏气(和交叉)以形成单电池。该方法很复杂，PEM和常用作(ii)和(iii)项的涂有催化剂的碳素纸的固有成本是燃料电池的主要生产成本。

PEM燃料电池的性能限制是水的管理，以在使用中保持PEM膜充分水合。氢气和氧气转化成电得到产物水，其出现在氧电极处。要使该膜保持工作状态，所述膜必须有足够的透水性以使产物水再分布并防止该膜局部变干。变干导致过热和灾害性破坏(甚至可能导致氢气/氧气交叉而有可能发生爆炸)。

PEM装置仅依靠制成薄膜的性质工作。用作电解池时，加水和电产生氧气和氢气；用作燃料电池时，用氢气和氧气(或空气)产生电。

现有的PEM材料例如Nafion由非交联的氟化聚合物(主要是PTFE)组成，所述聚合物有包含离子活性部位(通常为SO₃)的侧链。所述SO₃部位提供亲水性。必须保持这些材料与附加的水(由水合燃料气提供)水合，以进行操作。它们可以薄片(10-30μm厚)形式获得，用于组装成电池(电压1V)，从而组装成电池组(典型地100个单元)。

可由单个MEAs生产电池组(stack)。由于必须分开地生产每个MEA然后串联叠合成堆，所以生产电池组很费力。

能有高水含量的亲水聚合物是已知的。水含量决定其性质。其电性能由水合溶液的性质决定。例如，某些亲水性材料如HEMA(甲基丙烯酸2-羟乙酯)和MMA-VP(甲基丙烯酸甲酯-乙烯基吡咯烷酮)在生物医学领域中作为隐形眼镜材料是公知的，但它们不具有固有电性能。因此，如果在去离子-蒸馏(DD)水中水合，所得聚合物是良好的电阻器，但如果在酸或碱性溶液中水合，该材料则是良导体直至洗去电活性溶液时所述水合聚合物才恢复不导电体系。

US-A-4036788公开了通过杂环N-乙烯基单体、含磺酸的单体和交联剂共聚得到的阴离子型水凝胶。可在所述单体可溶于其中的水溶性溶剂存在下进行聚合；以有机凝胶形式获得所述聚合物，通过蒸馏、蒸发或水洗从中除去非水溶剂。浸泡在水中导致溶胀，得到可用于从水介质中回收碱性或阳离子材料或用于该材料的控制释放的柔软挠性材料。

WO-A-01/49824公开了通过不含磺酸基的单体、含磺酸基的单体和非必需的交联剂聚合得到的聚合物。该聚合物适用于细胞的连接和生长、并适用于生物医学装置和假肢。它们有很高的膨胀率。

本说明书的元素已在其优先权之前公开。参见例如Delegate Manualof the Fifth Grove Fuel Cell Symposium，22-25 September 1997。这些元素未提供足以使普通技术人员能实现下述发明的信息。

发明概述

本发明至少部分是基于以下发现：可基于亲水性聚合物(即固有地能在其整个分子结构内吸收和传输水的聚合物)生产离子交换膜(IEM)材料特别是PEM材料(但包括阳离材料，如前面所述)。被改性而包含磺酸或其它强离子部分的此材料可通过辐射或热聚合由起始单体或预聚物体系的本体聚合制备。应在水或其它液体存在下进行聚合以使体系均匀。

根据本发明的第一方面，一种能进一步与水水合的部分预填充(pre-extended)的亲水性聚合物可通过单体和溶剂例如极性液体共聚获得，所述单体包括含强离子基的单体。优选使所得聚合物交联。未与水水合的本发明聚合物或IEM材料可在使用中例如在产生水的燃料电池中被水合(对于本说明书而言包括任何程度的水合，包括最大限度的水合)。