[发明专利]用于燃料电池用途的新型质子交换膜

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求2008年5月9日提交的美国临时申请系列号No.61052158的权益。

技术领域

本公开大致涉及的领域包括质子传导的(proton conductive)接枝聚合物、燃料电池膜和膜电极组装件。

背景技术

质子传导聚合物已经用于制造燃料电池的膜和膜电极组装件(MEA)。已经作为电极膜用的质子传导聚合物研究了许多加聚物和缩聚物。为了符合在低湿度和高运行温度下的高质子电导率要求，该聚合物需要具有高的离子交换容量(IEC)。但是，具有高IEC的质子传导聚合物通常在水中变成水溶性或明显可溶胀。因此，由该聚合物制成的电解质膜通常在燃料电池运行条件下具有差的机械性能。因此需要进一步改进聚合物组成和电解质膜以提供高IEC和良好的机械性能。

发明内容

本发明通过在至少一个实施方案中提供可用于燃料电池用途的聚合物，解决现有技术的一个或多个问题。该实施方案的聚合物包括具有聚合物链段1和2的聚合物：

E₂-P₃-Q₂-P₄    2

其中：

Z₁是给质子基团(protogenic group)，如-SO₂X、-PO₃H₂、-COX等；

E₁、E₂各自独立地为含芳族和/或含脂族的部分；

X是-OH、卤素、酯或

d是连接到E₁上的(SO₂X)_d的数量；

P₁、P₂、P₃、P₄各自独立地为：不存在、-O-、-S-、-SO-、-CO-、-SO₂-、-NH-、-NR₂-、或-R₃-，且

R₂是C_1-25烷基、C_1-25芳基或C_1-25亚芳基；

R₃是C_1-25亚烷基、C_1-25全氟亚烷基、全氟烷基醚、烷基醚或C_1-25亚芳基；

R₄是三氟甲基、C_1-25烷基、C_1-25全氟亚烷基、C_1-25芳基或另一E₁基团；

R₈(Z₁)_d是具有d个给质子基团数的部分；且

Q₁、Q₂各自独立地为氟化环丁基部分。

本发明的其它示例性实施方案从下面提供的详述中显而易见。应该理解的是，尽管公开了本发明的示例性实施方案，但详述和具体实施例仅用于举例说明而不是要限制本发明的范围。

附图说明

由详述和附图更充分理解本发明的示例性实施方案，其中：

图1提供了包含本发明的一个实施方案的聚合物的燃料电池的示意图；

图2提供了可用于制备本发明的各种聚合物的单体的合成途径的实例；

图3提供了可用于制备本发明的各种聚合物的单体的合成途径的另一实例；

图4提供了可用于制备本发明的各种聚合物的单体的合成途径的其它实例(参见Macromolecules，41(6)，2126(2008)；

图5提供了制备磺化全氟环丁烷嵌段共聚物的合成途径；

图6提供了制备磺化全氟环丁烷嵌段共聚物的另一合成途径；

图7提供了制备磺化全氟环丁烷嵌段共聚物的另一合成途径；

图8提供了制备磺化全氟环丁烷嵌段共聚物的另一合成途径；

图9提供了制备磺化全氟环丁烷嵌段共聚物的另一合成途径；

图10提供了制备磺化全氟环丁烷嵌段共聚物的另一合成途径；

图11提供了用于磺化嵌段共聚物的反应图式；

图12提供了用于制备带侧基的聚合物的合成途径；

图13提供了用于制备带侧基的聚合物的另一合成途径；

图14提供了用于制备带侧基的聚合物的另一合成途径；

图15提供了用于制备带侧基的聚合物的另一合成途径；