[发明专利]高含水量的膜

说明书

发明领域

本发明涉及亲水性聚合物及其在用于燃料电池的膜电极组件中的用途。

发明背景

在WO2003/023890中公开了用于膜电极组件的亲水性聚合物。该公开描述了如何能由疏水性单体、亲水性单体、含有强离子基的单体和水的聚合来获得亲水性聚合物。

WO2003/023890中公开的聚合物具有优异的离子性质，并且在使用中与诸如Nafion(RTM)的非亲水性膜相比更不易受脱水的影响。该公开以优选实施方案形式描述了亲水性聚合物应具有不高于85%的水的吸收。这相当于约35%的含水量。这是因为认为具有比该情况更高的水吸收的聚合物对于用于MEA而言过于不稳定。其中水吸收被定义为[(水合后的质量-干燥质量)/干燥质量]×100。

WO2003/023890的实施例公开了MEA(膜电极组件)，其中聚合物通过浸在水中而被进一步膨胀。由于那些聚合物的组成，以及还由于它们被聚合至增强材料上，所以MEA中的最终聚合物无一具有高于60%的含水量。

通常，通过将膜聚合至诸如聚乙烯的多孔载体结构上来限制亲水性聚合物膜的水吸收。这防止了聚合物过多膨胀，由此防止其变得过于不稳定。还确保了阴离子/阳离子部位是致密的，即，膜具有固有的高酸性部位浓度[H⁺]。这被认为对于膜的离子性能而言是必要的。

发明概述

已令人惊讶地发现，能形成某些具有非常高的含水量的亲水性聚合物。这些聚合物具有令人惊讶的高质子迁移性，同时对于用于燃料电池而言仍足够稳定。已经发现，高质子迁移性补偿了由高含水量导致的较低[H⁺]，以至于实现了具有优异的离子性质和非常高的功率密度的膜。可以支撑或不支撑最终的膜，并且在两种情况中均产生优异的性质。

根据本发明的第一方面，提供了亲水性聚合物，其能被水合以形成具有至少65%的含水量的水合的亲水性聚合物，其中所述含水量被定义为[(水合的亲水性聚合物的质量-干燥的亲水性聚合物的质量)/水合的亲水性聚合物的质量]×100。

根据第二方面，水合的亲水性聚合物具有至少65%的含水量，其中含水量如上文所定义。

根据第三方面，MEA包含如上文所定义的亲水性聚合物或水合的亲水性聚合物。

根据第四方面，形成如上文所定义的MEA的方法，所述方法包括将形成膜的材料引入电极之间，并且在原位聚合所述膜。

根据第五方面，如上文所定义的MEA用于电化学电池。

根据第六方面，电化学电池包括如上文所定义的MEA。

附图描述

图1和2示出本发明的单片(未支撑的)的和复合(支撑的)的MEA的性能。

优选实施方案的描述

术语“亲水性聚合物”在本领域中公知。优选地，其被定义为在其非交联形式时为可溶于水的聚合物。当亲水性聚合物交联时，其可能不再为可溶于水的，但其仍被归类为亲水性聚合物。通常，其在水中将膨胀。

如本文所定义，术语含水量被定义为[(水合的亲水性聚合物的质量-干燥的亲水性聚合物的质量)/水合的亲水性聚合物的质量]×100。本领域技术人员熟知术语“含水量”并且熟知如何测量它，但优选地，为测量“干燥”的亲水性聚合物的质量，将聚合物在真空下加热或干燥，使得从聚合物中除去几乎所有的水。优选地，在室温(即22℃)下且在大气压(即1atm)下测量质量，因为取决于环境条件含水量可能有小变化。

上段阐述了可以如何测量含水量。本发明还涵盖了本发明的亲水性聚合物的水合形式。该水合可以通过任何合适的方法、即使用水或酸且在任何期望的温度下进行。实例在下文中给出。

本发明的亲水性聚合物是基于WO03/023890中所描述的那些亲水性聚合物，该申请的内容并入本文作为参考。那些亲水性聚合物与现请求保护的亲水性聚合物之间的差异在于本发明的聚合物能膨胀并吸收水，直至聚合物的含水量以膨胀的聚合物的重量计大于65%。不希望受限于理论，这种高水吸收能力可能归因于引入至聚合物膜内的酸的浓度或强度，或者归因于引入膜内的交联剂(若存在)的量。

聚合物可以被固化至增强材料(即，限制水吸收的材料)上，在该情况中，其在本文被称为“支撑膜”或“复合膜”。或者，其可以不被固定于任何基底，即，使其相对于其周围而言自由地膨胀和移动，在该情况中，其在本文被称为“未支撑的膜”或“单片膜(monolithic membrane)”或者“净膜(neat membrane)”。