[发明专利]用于汽车燃料电池的具有全氟磺酸基团的烃PEM膜

说明书

技术领域

本发明总的来讲涉及的领域包括燃料电池膜、由其制备的产品及其制备和使用方法。

背景技术

电化学电池，例如可再充电的电池组(battery)和燃料电池，在电子和汽车工业中正成为重要的能量装置。使用氢气作为燃料的聚合物电解质燃料电池由于其高的能量效率、非常低的排放量以及已证实的长寿命而特别受到关注。在该燃料电池中所用的聚合物电解质膜在阳极和阴极之间提供了必需的离子传导性连接。为了实现高能量密度、小尺寸、轻质和长使用寿命，电池膜需要在宽范围的温度和湿度条件下具有高的离子传导性以及稳定的机械性质。

在氢燃料电池中，膜中的水管理对于有效性能是至关重要的。该燃料电池必须在其中副产物水的蒸发不比其产生更快的条件下操作，因为必须对该膜进行水合以保持可接受的质子传导率。即，必须保持该电池膜显著的水合水平。

为了提高氢燃料电池的电流，通常使用催化剂、高表面积的电极和高操作温度。对在高操作温度和低水合水平下使用的聚合物电解质膜的设计在开发商业可接受的燃料电池中呈现出挑战。

发明内容

本发明的一种实施方案包括电化学电池膜组合物(electrochemical cell membrane composition)，其包括烃聚合物主链和共价结合到该聚合物主链上的全氟化超酸侧基(a perfluorinated superacid side group)。

本发明的另一实施方案包括燃料电池，其包括阳极、阴极和在该阳极和该阴极之间的膜，其中该膜包含具有烃聚合物主链和共价结合到该聚合物主链上的全氟化超酸侧基的聚合物。

本发明的另一实施方案包括燃料电池膜组合物的制备方法，其中该方法包括：提供烃聚合物和具有活性基团的全氟化超酸化合物，和将该烃聚合物与该全氟化超酸化合物接触或混合以产生导致该全氟化超酸共价结合到该烃聚合物上的耦合反应或接枝聚合。

本发明进一步体现在如下方面：

1.电化学电池膜组合物，包含烃聚合物主链和共价结合到所述聚合物主链上的全氟化超酸侧基。

2.燃料电池，包括方面1的膜组合物。

3.方面1的电化学电池膜组合物，其中该全氟化超酸在该组合物中的含量为0.1～2.84meq/g膜组合物。

4.方面1的电化学电池膜组合物，其中该烃聚合物主链包括以下中的至少一种：聚烯烃、聚苯乙烯、聚异戊二烯、聚丁二烯、聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚氯丁二烯、聚丙烯腈或其共聚物。

5.方面1的电化学电池膜组合物，其中该超酸具有以下化学式：-R_f-SO_nX；其中R_f是全氟化的基团，n是数值2或3，X是选自由以下构成的组的元素：氢、氟、氯、钠、钾、锂、镁及其组合。

6.方面5的电化学电池膜组合物，其中该全氟化基团包括全氟化烯烃、全氟醚或其组合。

7.方面1的电化学电池膜组合物，包括该烃聚合物和具有该全氟化超酸基团的活性化合物之间的化学反应的产物。

8.方面7的电化学电池膜组合物，其中该化学反应是耦合反应或接枝聚合反应。

9.方面8的电化学电池膜组合物，其中该耦合反应是加成、置换、自由基耦合或缩合反应。

10.方面9的电化学电池膜组合物，其中该接枝聚合反应是自由基引发聚合。

11.方面7的电化学电池膜组合物，其中该烃聚合物包括以下中的至少一种：聚烯烃、聚苯乙烯、聚异戊二烯、聚丁二烯、聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚氯丁二烯、聚丙烯腈或其共聚物。

12.方面7的电化学电池膜组合物，其中所述活性化合物具有由下式所示的化学结构：

Z-R_f-SO_nX，

其中Z是能够与所述烃聚合物反应并化学结合到其上的活性基团，R_f是全氟化基团，n是数值2或3，X是选自由以下构成的组的元素：氢、氟、氯、钠、钾、锂、镁及其组合。

13.方面12的电化学电池膜组合物，其中Z是卤素、氟化乙烯基或碘基团。

14.方面12的电化学电池膜组合物，其中X是氢、氟或氯。

15.方面14的电化学电池膜组合物，其中n为2且X是氟。

16.燃料电池，包括：

阳极；

阴极；和

在所述阳极和阴极之间的膜；

其中该膜包括具有烃聚合物主链和共价结合到所述聚合物主链上的全氟化超酸侧基的聚合物。