[发明专利]磷酸硅及包括磷酸硅的膜

说明书

技术领域

本发明涉及硅磷氧化物作为离子导体在大量电化学装置中的应用，特别是作为膜在质子交换膜燃料电池中的应用，以及包括硅磷氧化物作为离子导体的电化学装置。

背景技术

随着石油储备的减少，使用燃料电池作为一种替代方式以提供电能引起日益增加的关注。目前在设计的许多类型的燃料电池中，随着全世界推进氢基技术，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）具有越来越大的潜力。PEMFCs能够清洁地和有效地将氢和氧的化学能转化成水和电能或热能。

在PEMFCs中，氢和氧在拆分电极上反应-分别为阳极和阴极-在催化剂的作用下，氢在阳极上分离成质子和电子。通过这样方式产生的质子通过电绝缘聚合物电解质膜分散并且电子通过外部负载电路流向阴极，沿着这条外部负载电路的电子的路径提供了燃料电池的电流输出。在阴极，分子氧和已经通过聚合物电解质膜的质子以及已经通过外部负载电路的电子相结合形成水。

因此，PEMFCs的关键特征是在阳极和阴极之间产生作用的聚合物电解质膜（PEM）。一般这样的膜被称作为质子交换膜（也称作PEM），它满足了膜要促进质子（而不是电子）在燃料电池内部的迁移（非电子）的需要。除了这些作用，膜不能容许气体在任何方向通过并且能够承受分别在阴极和阳极发生的还原和氧化的化学过程。

聚合物电解质它是一种在1960年发现的磺化四氟化乙烯基氟化聚合物-共聚物，它可能是PEM最经常使用的。在PEMFCs中的应用被认为源于运输（transport）质子的能力，是它的磺酸侧基的结果，但是它对阴离子或电子是电绝缘的。随着时间的变化，会从它的结构中失去氟。依赖于水的存在以起到质子的导体作用。这意味着使用作为PEM的PEMFCs局限于操作温度低于100℃，暗示了低温应用。在温度接近和超出100℃时，所述的燃料电池发生脱水，PEM变的太干而不能有效地将质子传导至阴极导致输出功率下降。这说明了PEMFCs的固有的特定的困难：存在和保持恰当量的水。有效的控制在PEMFCs中产生的水是关键的一步，与PEMFC的成功应用相关。问题同样存在于基PEMFCs内，其他PEMs含有太多水也是有害的。

扩大PEMFCs的潜在应用范围是有利的，尤其是它们在电动汽车（EVs）中的进一步应用。因为汽车空气冷却系统可以在约为130～140℃温度下有效操作，升高温度，在高温下PEMFCs中能够起到作用，尤其有利于汽车工业，考虑到目前的环境和经济形势，努力加速研究将PEMFCs应用到EVs中。在这个温度范围内操作PEMFCs能够排除使用在PEMFCs使用PEMs例如时所需要的昂贵的冷却系统的必要性。

相应地，日益普遍的使用PEMFCs的方法集中在高温PEMFCs，即HTPEMFCs，考虑到它们的高的热稳定性，在其中可以使用可选的聚合物例如聚苯并咪唑（PBI）。不幸的是，可以观察到使用PBI的弊端在于它纯净状态下具有非常低的级数为10^-12S/cm的电导率。已经发现，当PBI被以相对高浓度的磷酸掺杂时（一般每单位PBI单体中包括5～7分子的磷酸）形成PBI-H₃PO₄时，电导率升高。O E Kondstein等（Energy 32（2007）418-422）已经报道了PBI-H₃PO₄，当包括约为560摩尔%焦磷酸（在PBI内每重复单元包括约为5分子H₃PO₄）时，在200℃时具有电导率约为6.8×10^-2S/cm。然而，PBI基PEMs的另外的弊端是随着温度升高和掺杂浓度的提高，机械强度下降发生。而且，酸会在大约160℃的温度下浸出。

在HTPEMFCs中PEM的第三个潜在的应用不基于聚合物的使用而是杂多酸（HPAs）的使用，例如H₆P₂W₂₁O₇₁，据K A Record等（US Department of Energy Journal of Undergraduate Research,VI(2006),53-58）以及L Wang（Electrochimica Acta 52(2007)，5479-5483）的报道，其具有优良的电导率，依赖于相对湿度。

在WO2007/082350中提到聚合物复合材料以及描述了包括至少一种用至少一种用离子化基团功能化的无机质子-导电聚合物和/或至少一种用至少一种离子化基团功能化的混合质子-导电聚合物，以及至少一种能形成氢键的有机聚合物。