[发明专利]使用路易斯酸/布朗斯台德酸络合物的新颖电解质

说明书

本申请是申请日为2008年5月7日，申请号为200880014988.X，发明名称为“使用路易斯酸/布朗斯台德酸络合物的新颖电解质”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求了于2007年5月8日提交的美国专利申请序号11/745,782的优先权，其内容通过引用结合在此。

技术领域

本发明总体上涉及传导质子的聚合物。更具体地说，本发明涉及在燃料电池中使用的传导质子的聚合物。

背景技术

燃料电池是一种能量转换装置，该装置使燃料(诸如氢气以及氧气)发生电化学反应以产生电流。一种特殊类型的燃料电池是质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池具有大约80℃的工作温度，这使它们对许多应用是有利的，特别是汽车应用。

PEM燃料电池总体上包括一个或多个电连接的膜电极组件(MEA)。每个MEA包括由一种固体电解质分隔开的一个阳极和一个阴极，该固体电解质允许质子从中转移通过。该固体电解质典型地是处于一种隔膜的形式。这些MEA被安置在流场之间，这些流场提供了遍布与隔膜相对的阳极表面的氢气分布以及遍布与隔膜相对的阴极表面的氧气分布。为了催化在阳极和阴极处的反应，将催化剂沉积在电极的表面上。在PEM燃料电池中所使用的典型的催化剂是铂。

在工作过程中，氢气被供应至阳极并且氧气被供应至阴极以产生一个电流。通过以下反应，氢气与氧气在适当的电极发生反应：

阳极：2H₂→4H⁺+4e^-

阴极：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

总反应：2H₂+O₂→2H₂O+e^-

在阳极处，氢气被离解成氢离子和电子。氢离子穿过隔膜渗透至阴极，而电子穿过外电路流至阴极。在阴极处，氧气与氢离子和电子反应以形成水。通过外电路从阳极至阴极的电子流可以用作一个电源。

在PEM燃料电池中所使用的固体电解质是一种酸性的传导质子的聚合物。聚合物的酸性使得质子能够从阳极转移至阴极并阻止电子从中转移通过。对于在PEM燃料电池中所使用的酸性的传导质子的聚合物类来说，磺化的氟聚合物类是最普及的选择。这些最普及的导电聚合物之一是(DuPont的注册商标)。磺化的氟聚合物类的普及是由于它们的高的耐化学性、能够形成非常薄的隔膜的能力、以及由于它们吸水的能力而导致的高传导率。磺化的氟聚合物类吸收大量水的能力是由于聚合物之内的磺酸基团的亲水性质。这些磺酸基团在聚合物之内提供水合区域的产生，这些水合区域由于对磺酸基团有一种更弱的吸引而允许氢离子更自由地移动穿过该聚合物。在氢离子和磺酸基团之间的更弱的吸引增加了聚合物的传导率，从而增加了燃料电池的性能。这样，氢离子的传导率是直接与磺化的氟聚合物的水合量成比例的。

在PEM燃料电池中电解质的水合作用是一个重要的考虑因素，在PEM燃料电池中的空气的湿度必须仔细地进行监测和控制。若空气具有太高的湿度的话，则电池将会被在燃料电池工作过程中所产生的水淹没，导致由于电极孔的堵塞而带来的性能上的下降。若空气具有太低的湿度的话，则电解质可能干透，从而降低了电解质的传导率，导致降低的燃料电池性能。这样，控制系统和增湿系统必须与PEM燃料电池一起使用。使用这些系统会不利地影响PEM燃料电池系统的成本、规模、以及质量。这样，在本领域中对于在低湿度环境中显示出高传导率的传导质子的聚合物类存在一种需要。

发明内容