[发明专利]制备用于燃料电池的聚苯并咪唑糊和凝胶的方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种在燃料电池中作为聚合物电解质的糊或凝胶的制备方法。

发明背景

燃料电池可由各种电解质、燃料及操作温度组合成多种不同形式。例如，像氢或甲醇燃料可直接供给到电池的电极。另如甲烷或甲醇的各式燃料，可在电池外转化成富氢气体混合物，随后供给燃料电池利用。在大部分燃料电池中氧气来源为空气，但在一些应用中，氧气是由过氧化氢的分解或由低温储存系统获得。

虽然理论上有无数的电解质、燃料、氧化剂、温度等的组合，但实用的系统含固体聚合物电解质，且系统使用氢或肼作为其燃料的来源，并以纯氧为其氧化剂。聚苯并咪唑(PBI)混以强酸为电解质系统中合适使用的固体聚合物的一例。

本领域已知可使聚苯并咪唑(PBI)厚膜吸收强酸以制成一可流通质子的介质。特别是(1996年6月11日)公告的美国专利第5，525，436号中描述使用强酸掺杂PBI膜的方法，所使用的强酸为磷酸或硫酸，并形成一个单相的系统，也就是说酸是溶于该聚合物中。

甚至从可使本领域进步的观点来看，合适的聚合物电解质的效能、高价及加工性仍是燃料电池中关于燃料电池的聚合物介质的考虑的重点。本领域仍然需要用于燃料电池的新物质。

发明概述

本发明一方面提供一种制备用于燃料电池中电解质的聚合物(较佳为PBI)糊或凝胶的方法。在一个实施方案中，本方法包含以细粉碎PBI聚合物在适量酸溶液中渗透，使聚合物溶解并形成一种在室温下具有凝胶状或糊状外观的基质。

在另一方面，本发明提供一种PBI糊或凝胶，其含约70到约99．9重量百分比被吸附的酸，此糊或凝胶可用于燃料电池中。这些糊或凝胶以本文描述的方法制备。

本发明再一方面提供一种以依据本发明的PBI糊或凝胶涂覆的聚合物纤维。

本发明再一方面提供一种燃料电池，其含依据本发明的PBI糊或凝胶，或以其涂覆的纤维。

本发明再一方面提供一种聚合物薄膜，其以依据本发明的PBI糊或凝胶涂覆。

本发明再一方面提供一种使用依据本发明的PBI糊或凝胶涂覆的聚合物薄膜，其与第二聚合物薄膜结合形成三明治结构。

本发明再一方面提供一种制备燃料电池的电极的方法，其中包含使用本发明的糊或凝胶涂覆电极的步骤。

本发明其他方面和优点于以下提出的实施方案中有更详细的描述。本发明的详细描述

本发明提供制备含酸聚合物糊或凝胶方法的改良，该糊或凝胶适用于燃料电池(特别是耐氯的燃料电池)中作为电解质及粘接剂的制备的改良。同时也提供以本发明的方法制备的糊或凝胶，以此涂覆的纤维及薄膜，以及含本发明的糊或凝胶的燃料电池。

一般而言，依本发明的方法，聚合物的糊或凝胶是以合适的大量酸溶液混合或渗透聚合物粉末，以形成室温下见有凝胶状或糊状外观的基质。“合适的大量酸溶液”是指占形成糊或凝胶的聚合物-酸溶液混合物的约70到约99．9重量百分比。

合适的聚合物为PBI。PBI通常合适使用是因为本发明者发现PBI聚合物的特性使得它拥有对酸的亲合力，在恶劣的条件下仍可将酸保留于其中。然而，本领域技术人员仍可采用其他合适及想要的各式聚合物，其他碱性聚合物有例如：聚苯胺及聚嘧啶，可以用所述的酸溶液溶胀成混合物以形成本发明的糊或凝胶状基质。这些本发明适用的PBI聚合物，及其他聚合物可由本领域技术人员容易地确定。同样地，变化本发明所提供酸含量的范围可使其他聚合体物质形成本发明所述的凝胶或糊状基质。

用于添加至聚合物的有用酸溶液可含约100％的酸，或可含以合适的溶剂稀释或溶解的合适的酸。例如，合适的酸溶液含约5重量％到约100重量％的酸及最高约95重量％的溶剂。在现今提出较佳实施方案中，酸溶液含约85重量％的酸及15重量％的水或甲醇。

适用的酸可包括，例如醋酸、甲酸、硝酸、盐酸、磷酸、硫酸、三氟醋酸、三菲酸(triflic acid)，这些酸的混合物或这些酸与磷酸的混合物。一般适用的酸为磷酸。然而，本领域技术人员可容易的选择任何其他合适的酸。本发明选择合适的酸并没有限定，所选用的酸须可溶胀如PBI类聚合物以形成基质。

通常，最适的酸溶液含约85重量百分比的磷酸和15重量百分比的水。然而同前述所言，使用其他经选定的酸的合适的其他酸溶液浓度本领域技术人员很容易确定和选择。