專利名稱：聚合物電解質(zhì)和使用其的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚合物電解質(zhì)和使用該聚合物電解質(zhì)的燃料電池；更具體地，本發(fā)明涉及甚至在高溫下仍具有高離子電導(dǎo)率的聚合物電解質(zhì)和使用該聚合物電解質(zhì)的燃料電池。
背景技術(shù)：
根據(jù)電解質(zhì)類型，燃料電池可分類為聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFCs)、磷酸燃料電池(PAFCs)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFCs)、固體氧化物燃料電池(SOFCs)以及其它類型。燃料電池的工作溫度和燃料電池的構(gòu)成材料隨著電池中使用的電解質(zhì)類型而變化。
基本的PEMFC包括陽極(燃料電極)、陰極(氧化劑電極)，以及插入在陽極和陰極之間的聚合物電解質(zhì)膜。陽極包括促進(jìn)燃料氧化的催化劑層，陰極包括促進(jìn)氧化劑還原的催化劑層。
供應(yīng)至陽極的燃料的實(shí)例包括氫、含氫的氣體、甲醇蒸汽和水蒸汽的混合物、甲醇水溶液等。供應(yīng)至陰極的氧化劑的實(shí)例包括氧氣、含氧的氣體和空氣。
在PEMFC的陽極中，燃料被氧化，生成質(zhì)子和電子。質(zhì)子經(jīng)過電解質(zhì)膜遷移至陰極，電子經(jīng)導(dǎo)線(或集流體)遷移至外部電路(負(fù)載)。在PEMFC的陰極中，氧氣與遷移的質(zhì)子和電子反應(yīng)生成水，所述電子是從外部電路經(jīng)另外的導(dǎo)線(或集流體)而供應(yīng)的。此處，電子從陽極經(jīng)外部電路遷移至陰極提供了電力。
在PEMFC中，聚合物電解質(zhì)膜充當(dāng)將質(zhì)子從陽極遷移至陰極的離子導(dǎo)體，還充當(dāng)防止陽極和陰極之間的機(jī)械(或物理)接觸的隔板。因此，聚合物電解質(zhì)膜需要在操作溫度下具有足夠的離子電導(dǎo)率、電化學(xué)安全性、高機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，并且應(yīng)當(dāng)容易被制成薄層。
聚合物電解質(zhì)膜通常由磺化全氟聚合物構(gòu)成，該聚合物在其主鏈中具有氟化亞烴基，在氟化乙烯基醚側(cè)鏈的端部具有磺酸基，所述聚合物例如Dupont制造的Nafion。這種聚合物電解質(zhì)膜含有合適量的水，因此具有足夠的離子電導(dǎo)率。
然而，在100℃或更高的操作溫度下，由于水分蒸發(fā)散失，這種聚合物電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率被嚴(yán)重降低，并因此沒有起到離子導(dǎo)體的作用。于是，幾乎不可能在大氣壓力和100℃或更高的溫度下使用這種聚合物電解質(zhì)膜操作PEMFC。常規(guī)PEMFC一直是在100℃或更低的溫度下，例如在約80℃下操作。
為了將PEMFC的操作溫度升高至100℃或更高，已經(jīng)提出以下方法向PEMFC配備增濕裝置的方法、在加壓狀態(tài)下操作PEMFC的方法和使用聚合物電解質(zhì)而無需增濕的的方法。
當(dāng)在加壓條件下操作PEMFC時(shí)，水的沸點(diǎn)升高，這可升高操作溫度。然而，加壓體系的應(yīng)用或增濕裝置的配備增加了PEMFC的尺寸和重量，并減小了動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)的效率。因此，對(duì)“非增濕聚合物電解質(zhì)膜”，即，即使在約0％的相對(duì)濕度下仍具有高的離子電導(dǎo)率的聚合物電解質(zhì)膜的要求日益增加。
非增濕聚合物電解質(zhì)膜的實(shí)例包括聚苯并咪唑(PBI)、摻雜硫酸或磷酸的聚苯并咪唑等，它們公開于日本專利申請(qǐng)公開Hei11-503262中。
當(dāng)由PBI構(gòu)成的電解質(zhì)膜用作聚合物電解質(zhì)膜時(shí)，高溫下的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性良好，但是當(dāng)長(zhǎng)期使用時(shí)，浸漬在電解質(zhì)內(nèi)的磷酸從電池中泄漏出來。
美國(guó)專利20040131910A披露了使用二苯醚和苯二羧酸制備磺化聚醚酮酮的方法以及由此制備的磺化聚醚酮酮用作燃料電池膜的用途。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種聚合物電解質(zhì)及其制備方法，所述聚合物電解質(zhì)具有類似于PBI的性能，耐高溫和通過防止浸漬或俘獲在聚合物基體中的磷酸泄漏而即使長(zhǎng)期操作也具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以及即使在約0％的相對(duì)濕度下也具有的高離子電導(dǎo)率。
本發(fā)明還提供一種燃料電池，該燃料電池通過利用上述的聚合物電解質(zhì)而具有改進(jìn)的電池性能。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種聚合物電解質(zhì)，其包括通式(1)表示的磺化聚(醚酮酮)(SPEKK)和交聯(lián)劑的固化反應(yīng)產(chǎn)物 其中n為100-1000的數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制備聚合物電解質(zhì)的方法，其包括將通式(1)表示的SPEKK溶解在第一溶劑中，獲得SPEKK溶液；將交聯(lián)劑逐滴添加至SPEKK溶液中，然后添加聚合引發(fā)劑，并攪拌生成的混合物；以及固化生成物。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種燃料電池，其包括陰極、陽極和插入在陰極和陽極之間的聚合物電解質(zhì)。


通過參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明示例性的實(shí)施方案，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更顯而易見，其中圖1是本發(fā)明實(shí)施方案的包括聚合物電解質(zhì)膜的堆的分解示意圖；圖2是合成實(shí)施例1-3的磺化聚(醚酮酮)(SPEKK)的FT-IR光譜；圖3是合成實(shí)施例1-3的SPEKK的XPS數(shù)據(jù)；圖4是SPEKK的掃描電子顯微(SEM)照片；圖5是聚合物電解質(zhì)膜的SEM照片，所述聚合物電解質(zhì)膜是根據(jù)實(shí)施例1由SPEKK和聚(乙二醇)二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)的固化反應(yīng)產(chǎn)物構(gòu)成的；圖6是浸漬在水中之后溶脹的實(shí)施例1的聚合物電解質(zhì)膜的SEM照片；圖7是說明實(shí)施例1和比較例1中獲得的聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和溫度之間的關(guān)系的圖；以及圖8是說明實(shí)施例1和比較例1中獲得的聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和時(shí)間之間的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式
以下將更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施方案。
本發(fā)明實(shí)施方案的聚合物電解質(zhì)包括通式(1)表示的磺化聚(醚酮酮)(SPEKK)和交聯(lián)劑的固化反應(yīng)而獲得多孔產(chǎn)物，所述SPEKK具有足夠的熱性能和機(jī)械性能。多孔產(chǎn)物也可摻雜有酸。該酸包括磷酸、固體無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體等。
無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體包括Zr(HPO4)2水合物、ZrO2水合物、SnO2水合物、WO3水合物、磷鉬酸(H3[PMo12O40]29H2O)、磷鎢酸(H3PW12O4029H2O)、SnP2O7、BPO4等。
通過SPEKK和交聯(lián)劑之間的固化反應(yīng)，將交聯(lián)劑的親水基(例如PEGDMA中乙二醇的-OH官能團(tuán))引入SPEKK中，這加強(qiáng)了SPEKK和磷酸之間的相互作用，由此獲得了在高溫下相比于常規(guī)的PBI/磷酸聚合物電解質(zhì)增加的離子電導(dǎo)率，并防止了離子電導(dǎo)率隨時(shí)間降低。
通式(1)表示的SPEKK可通過用硫酸和發(fā)煙硫酸(30％游離的SO3)的混合物磺化PEKK來合成，如下述反應(yīng)方案1所示。
硫酸和發(fā)煙硫酸的混合比隨反應(yīng)溫度而變化，但在室溫下優(yōu)選為50∶50至60∶40(v/v)，特別為57∶43(v/v)。反應(yīng)時(shí)間隨硫酸和發(fā)煙硫酸的混合比、所需的SPEKK磺化程度等而變化，但優(yōu)選為42-72小時(shí)。
反應(yīng)方案1 在反應(yīng)方案1中，n為100-1000的數(shù)。
在磺化結(jié)束后，將反應(yīng)混合物逐滴添加至過量的快速攪拌的去離子冰水中，形成沉淀。過濾出沉淀，并用水洗滌，除去過量的酸，然后干燥，獲得SPEKK。此時(shí)，干燥溫度為60-120℃。
可通過元素分析鑒定用于形成本發(fā)明實(shí)施方案的聚合物電解質(zhì)的SPEKK的磺化度，且為30-40％，優(yōu)選為約33％。SPEKK的重均分子量為40,000-400,000g/mol，優(yōu)選為60,000-200,000g/mol。
本發(fā)明中使用的交聯(lián)劑改進(jìn)了聚合物電解質(zhì)的機(jī)械性能。交聯(lián)劑的實(shí)例包括聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯(PEGMA){H2C＝C(CH3)-C(＝O)-(OCH2CH2)k-OH，其中k為1-25的整數(shù)}、聚(乙二醇)二甲基丙烯酸酯(PEGDMA){H2C＝C(CH3)-C(＝O)-(OCH2CH2)n-OC(＝O)-C(CH3)＝CH2，其中n為1-25的整數(shù)}、聚(乙二醇)二甲醚(PEGDME){H3C-(OCH2CH2)m-OCH2，其中m為1-25的整數(shù)}等?；?00重量份SPEKK，交聯(lián)劑的含量?jī)?yōu)選為80-250重量份。當(dāng)交聯(lián)劑的含量小于80重量份時(shí)，交聯(lián)進(jìn)行不好。當(dāng)交聯(lián)劑的含量大于250重量份時(shí)，聚合物被過度交聯(lián)，這妨礙了質(zhì)子的移動(dòng)，從而導(dǎo)致離子電導(dǎo)率降低。
以下將更詳細(xì)地描述制備本發(fā)明另一實(shí)施方案的聚合物電解質(zhì)的方法。
將SPEKK溶解在第一溶劑中，制備SPEKK溶液。使用二氯乙酸作為第一溶劑，且其含量?jī)?yōu)選為400-1000重量份，基于100重量份SPEKK。當(dāng)二氯乙酸含量小于400重量份時(shí)，SPEKK不能被充分溶解。當(dāng)二氯乙酸含量大于1000重量份時(shí)，溶液的粘度降低，這對(duì)膜的形成不是優(yōu)選的。
將交聯(lián)劑逐滴添加至以上獲得的SPEKK溶液中，然后向其內(nèi)添加聚合引發(fā)劑，并攪拌制備形成聚合物電解質(zhì)的組合物。將該組合物施加至基底上，然后暴露至光、熱或電子束，以引起固化反應(yīng)。此時(shí)，對(duì)施加方法沒有特別限制，但可使用旋涂、流延等方法?？墒褂貌ＡЩ?、邁拉聚酯薄膜(Mylar film)等作為基底。
形成聚合物電解質(zhì)的組合物可進(jìn)一步包括酸。磷酸等用作該酸，且酸含量基于SPEKK為3-12mol％。當(dāng)酸含量小于3mol％時(shí)，離子電導(dǎo)率低。當(dāng)酸含量大于12mol％時(shí)，膜的機(jī)械性能差。
所述酸可在該步驟中添加，或者制備電解質(zhì)膜，并通過浸漬摻雜磷酸。
聚合引發(fā)劑是能夠通過熱、光或電子束引發(fā)聚合的物質(zhì)。光聚合引發(fā)劑包括苯甲?；一?、二乙氧基乙酰苯、苯甲基二甲基酮縮醇等。熱聚合引發(fā)劑包括2，2’-偶氮雙異丁腈等。
基于100重量份SPEKK，聚合引發(fā)劑的含量?jī)?yōu)選為1-30重量份。當(dāng)聚合引發(fā)劑的含量在上述范圍之外時(shí)，就固化反應(yīng)的反應(yīng)性而言，不是優(yōu)選的。
當(dāng)固化反應(yīng)是由于熱而發(fā)生時(shí)，溫度優(yōu)選為40-90℃。當(dāng)固化是由于光而發(fā)生時(shí)，使用UV等。
在將溶液暴露至熱、光或電子束之前，可進(jìn)行干燥操作。干燥溫度為100-120℃。
其后，將生成的聚合物電解質(zhì)膜與基底剝離，得到本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)。該聚合物電解質(zhì)是由SPEKK和交聯(lián)劑的固化反應(yīng)產(chǎn)物和酸構(gòu)成的?；赟PEKK和交聯(lián)劑的固化反應(yīng)產(chǎn)物，酸含量為3-12mol％。
包括通式(1)表示的SPEKK僅和交聯(lián)劑或與酸的固化反應(yīng)產(chǎn)物的聚合物電解質(zhì)用作燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜，并將其插入陰極和陽極之間，形成膜/電極組件。
陰極和陽極包括氣體擴(kuò)散層和催化劑層。催化劑層包括促進(jìn)相關(guān)反應(yīng)(氫氣的氧化和氧氣的還原)的金屬催化劑。優(yōu)選地，催化劑層包括選自Pt、Ru、Os、Pt-Ru合金、Pt-Os合金、Pt-Pd合金和Pt-M合金(M為選自Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn中的至少一種過渡金屬)中的至少一種催化劑。更優(yōu)選地，催化劑層包括選自Pt、Ru、Os、Pt-Ru合金、Pt-Os合金、Pt-Pd合金、Pt-Co合金和Pt-Ni合金中的至少一種催化劑。
通常將金屬催化劑浸漬在載體上。載體可為碳，例如乙炔黑或石墨，或無機(jī)顆粒，例如氧化鋁、二氧化硅。當(dāng)在載體上使用貴金屬催化劑時(shí)，可市購(gòu)獲得或者也可通過將貴金屬浸漬在載體上而制備。
氣體擴(kuò)散層可由碳紙或碳布制成，但不限于此。氣體擴(kuò)散層支承燃料電池的電極，并將反應(yīng)氣體擴(kuò)散至催化劑層。優(yōu)選地，氣體擴(kuò)散層是由碳紙或碳布制成的，所述碳紙或碳布已經(jīng)用氟類樹脂(例如，聚四氟乙烯)進(jìn)行疏水處理，因?yàn)樗煞乐褂捎谠诓僮魅剂想姵貢r(shí)產(chǎn)生的水而降低氣體擴(kuò)散效率。
電極可在氣體擴(kuò)散層和催化劑層之間進(jìn)一步包括微孔層，以進(jìn)一步提高氣體擴(kuò)散效果。通過將包括例如碳粉、炭黑、活性炭或乙炔黑的導(dǎo)電材料、例如聚四氟乙烯的粘合劑，以及必要時(shí)離聚物的組合物施加至氣體擴(kuò)散層，從而形成微孔層。
本發(fā)明另一實(shí)施方案的燃料電池包括膜-電極組件(MEA)，其包括置于聚合物電解質(zhì)膜兩側(cè)上的電極；至少一個(gè)發(fā)電部件，其包括置于MEA兩側(cè)上的隔板并通過氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電；燃料供應(yīng)部件，其用于將含氫燃料供應(yīng)至發(fā)電部件；以及氧供應(yīng)部件，其用于將氧供應(yīng)至發(fā)電部件。
將隔板置于MEA兩側(cè)，形成至少一個(gè)堆狀的發(fā)電部件，該發(fā)電部件通過將燃料和氧供應(yīng)至催化劑層，并利用氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。
圖1是這種堆的分解示意圖。參考圖1，堆1包括含有本發(fā)明聚合物電解質(zhì)膜的MEA10和置于MEA10兩側(cè)上的隔板20。
發(fā)電部件包括聚合物電解質(zhì)膜、置于聚合物電解質(zhì)膜兩側(cè)上的電極和雙極板，并且該發(fā)電部件通過氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。
燃料供應(yīng)部件將含氫燃料供應(yīng)至發(fā)電部件，氧供應(yīng)部件將氧供應(yīng)至發(fā)電部件。
本發(fā)明的燃料電池可為磷酸燃料電池(PAFC)、聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)、或堿性燃料電池，并且優(yōu)選地為PAFC或PEMFC。
以下將參考下述實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明。下述實(shí)施例僅用于說明目的，并非意圖限制本發(fā)明的范圍。
合成實(shí)施例1制備SPEKK將50克PEKK添加至950克57∶43(v/v)硫酸和發(fā)煙硫酸(30％游離的SO3)的混合物，并在室溫下反應(yīng)42小時(shí)。
接著，將反應(yīng)混合物逐滴添加至過量的快速攪拌的去離子冰水中，形成沉淀。
過濾出沉淀，并用去離子水洗滌，除去過量硫酸。然后，在110℃干燥生成物3天，獲得SPEKK。
合成實(shí)施例2和3制備SPEKK以與合成實(shí)施例1相同的方式獲得SPEKK，不同的是分別反應(yīng)PEKK與硫酸和發(fā)煙硫酸的混合物56小時(shí)和72小時(shí)。
對(duì)合成實(shí)施例1-3中獲得的SPEKK進(jìn)行元素分析，結(jié)果示于表1中。
表1

從表1中可以看出，SPEKK的磺化程度為25-32.6％。
此外，對(duì)合成實(shí)施例1-3的SPEKK進(jìn)行FT-IR和XPS分析，結(jié)果示于圖2和3中。
圖2中顯示了下述FT-IR峰，這表明在SPEKK中存在磺酰基。
1)1503cm-1(芳族C-C鍵)雙峰2)1210cm-1(不對(duì)稱O＝S＝O伸縮振動(dòng))3)1075cm-1(對(duì)稱O＝S＝O拉伸伸縮振動(dòng))圖3證實(shí)SPEKK被磺?；〈?br> 實(shí)施例1制備聚合物電解質(zhì)和燃料電池將10克(26mmol)合成實(shí)施例3中的獲得的SPEKK(磺化度＝32.6％)溶解在90克二氯乙酸中，獲得SPEKK溶液。
將1.0克(1.8mmol)PEGDMA逐滴添加至10克SPEKK溶液中，并攪拌。將0.05克作為聚合引發(fā)劑的苯偶姻乙基醚和2.0g(20.4mmol)磷酸依次加入混合物中，攪拌2小時(shí)，獲得形成聚合物電解質(zhì)的組合物。
將形成聚合物電解質(zhì)的組合物在玻璃板上流延，并使用刮刀形成膜。然后，在60℃干燥生成物5小時(shí)，通過將該生成物暴露至紫外線20分鐘，對(duì)SPEKK和PEGDA進(jìn)行固化反應(yīng)，獲得聚合物電解質(zhì)。
同時(shí)，使用獲自E-TEK的EFCG-S型電極，在該電極中在碳紙上浸漬了10wt％Pt(負(fù)載量0.6mg/cm2)。
制造包括電極和聚合物電解質(zhì)膜的燃料電池。
圖4是SPEKK膜的掃描電子顯微(SEM)照片(×5000)；圖5是實(shí)施例1中獲得的聚合物電解質(zhì)的SEM照片(×5000)，以及圖6是被水溶脹的圖2中的聚合物電解質(zhì)膜的SEM照片(×5000)。
參考圖4-6，比較在水中浸漬前后的膜表面，可以看出通過溶脹，形成了無針孔的聚合物電解質(zhì)膜。
圖4顯示SPEKK膜表面，其示出了典型的熱塑性聚合物形態(tài)。圖5顯示了通過交聯(lián)劑在SPEKK膜中產(chǎn)生了互穿網(wǎng)狀的孔。圖6顯示溶脹使得孔拉得更密集。
實(shí)施例2使用表2中給出的組合物和處理?xiàng)l件，以與實(shí)施例1相同的方式制備聚合物電解質(zhì)，并且測(cè)量其離子電導(dǎo)率并且也示于表2中。
表2

參考表2，聚合物電解質(zhì)5、10和12具有相對(duì)高的離子電導(dǎo)率。此外，由于過量的磷酸，聚合物電解質(zhì)10和12被確定為具有降低的機(jī)械強(qiáng)度。
比較例1將5克PBI的二甲基乙酰亞胺溶液在玻璃板上流延，并在室溫干燥30分鐘，然后在120℃的干燥爐中干燥1小時(shí)。將玻璃板浸入水中，除去PBI膜，并在60℃的真空爐中干燥8小時(shí)。在60℃的干燥爐中，將PBI膜浸漬在85％磷酸中2小時(shí)，然后測(cè)量離子電導(dǎo)率。
研究實(shí)施例1和比較例1中獲得的聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和溫度之間的關(guān)系，結(jié)果示于圖7中。
參考圖7，在室溫時(shí)，SPEKK/PEGDMA/磷酸(Pa)系統(tǒng)的離子電導(dǎo)率比PBI/Pa系統(tǒng)高。盡管SPEKK/PEGDMA/Pa系統(tǒng)的離子電導(dǎo)率與溫度成正比，但是其增長(zhǎng)比PBI/Pa系統(tǒng)少。然而，在實(shí)際操作溫度，即130℃或更高時(shí)，這兩個(gè)系統(tǒng)顯示出類似的值。
圖8說明實(shí)施例1和比較例1中獲得的聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和時(shí)間之間的關(guān)系。在130℃測(cè)量實(shí)施例1的聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，在約110℃測(cè)量比較例1的離子電導(dǎo)率。
參考圖8，盡管常規(guī)PBI/Pa系統(tǒng)的離子電導(dǎo)率與溫度成正比，但是當(dāng)在高溫下長(zhǎng)時(shí)期操作所述系統(tǒng)時(shí)，由于磷酸中的水份蒸發(fā)和磷酸的泄漏，該系統(tǒng)的離子電導(dǎo)率降低。然而，由于交聯(lián)劑的親水基和聚合物網(wǎng)狀孔的原因，SPEKK/PEGDMA/Pa系統(tǒng)在一定程度上解決了常規(guī)PBI/Pa系統(tǒng)的上述問題，并因此減輕了在高溫下長(zhǎng)時(shí)期操作時(shí)離子電導(dǎo)率的降低。
本發(fā)明實(shí)施方案的聚合物電解質(zhì)在高溫下具有類似于PBI的質(zhì)子傳導(dǎo)率，保持足夠的SPEKK聚合物載體的熱性能和機(jī)械性能，并且在約0％的相對(duì)濕度和高溫的條件下保持高的離子電導(dǎo)率，因此可用作在高溫和約0％的相對(duì)濕度下操作的燃料電池的電解質(zhì)膜。此外，該聚合物電解質(zhì)具有優(yōu)異的氧化穩(wěn)定性，并因此可用作定向甲醇燃料電池(directional methanol fuelcell)的電解質(zhì)膜。
盡管已經(jīng)參考本發(fā)明示例性的實(shí)施方案具體地顯示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，在不偏離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可在本發(fā)明內(nèi)作出各種形式和細(xì)節(jié)的變化。
權(quán)利要求
1.一種聚合物電解質(zhì)，其包括通式(1)表示的磺化聚(醚酮酮)(SPEKK)和交聯(lián)劑之間的固化反應(yīng)的產(chǎn)物， 其中n為100-1000的數(shù)。
2.權(quán)利要求1的聚合物電解質(zhì)，其中交聯(lián)劑為選自聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯和聚乙二醇二甲醚中的至少一種材料。
3.權(quán)利要求1的聚合物電解質(zhì)，進(jìn)一步包括酸。
4.權(quán)利要求3的聚合物電解質(zhì)，其中所述酸為選自磷酸和固體無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體中的至少一種酸，并且所述酸的含量基于SPEKK為3-12mol％。
5.權(quán)利要求1的聚合物電解質(zhì)，其中所述SPEKK的磺化度為30-40wt％，且重均分子量為60,000-200,000。
6.制備聚合物電解質(zhì)的方法，其包括(a)將通式(1)表示的SPEKK溶解在第一溶劑中，獲得SPEKK溶液；(b)將交聯(lián)劑逐滴添加至SPEKK溶液中，然后添加聚合引發(fā)劑，并攪拌生成的混合物；以及(c)固化生成物； 其中n為100-1000的數(shù)。
7.權(quán)利要求6的方法，其中步驟(b)中進(jìn)一步包括添加酸。
8.權(quán)利要求6的方法，其中第一溶劑是二氯乙酸，且其含量基于100重量份SPEKK為400-1000重量份。
9.權(quán)利要求6的方法，其中所述SPEKK是通過對(duì)聚(醚酮酮)進(jìn)行磺化而制備的。
10.權(quán)利要求6的方法，其中交聯(lián)劑為選自聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯和聚乙二醇二甲醚中的至少一種材料，且其含量基于100重量份SPEKK為80-250重量份。
11.權(quán)利要求6的方法，其中所述聚合引發(fā)劑為選自苯偶姻乙基醚、二乙氧基乙酰苯、苯甲基二甲基酮縮醇和2.2’-偶氮雙異丁腈中的至少一種化合物，且其含量基于100重量份SPEKK為1-30重量份。
12.權(quán)利要求6的方法，其中所述固化是通過熱、光和電子束照射而發(fā)生的。
13.權(quán)利要求12的方法，其中熱致固化反應(yīng)的溫度為40-90℃，且所述光為紫外光。
14.一種燃料電池，其包括陰極、陽極和插入在陰極和陽極之間的聚合物電解質(zhì)，所述聚合物電解質(zhì)包括通式(1)表示的SPEKK和交聯(lián)劑之間的固化反應(yīng)產(chǎn)物， 其中n為100-1000的數(shù)。
15.權(quán)利要求14的燃料電池，其中交聯(lián)劑為選自聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯和聚乙二醇二甲醚中的至少一種材料。
16.權(quán)利要求14的燃料電池，其中所述聚合物電解質(zhì)進(jìn)一步包括酸。
17.權(quán)利要求16的燃料電池，其中所述酸為選自磷酸和固體無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體中的至少一種酸，并且所述酸的含量基于SPEKK為3-12mol％。
18.權(quán)利要求14的燃料電池，其中所述SPEKK的磺化度為30-40wt％，且重均分子量為60,000-200,000。
19.權(quán)利要求14的燃料電池，其中所述陰極和陽極中的至少一個(gè)包括通式(1)表示的SPEKK和交聯(lián)劑之間的固化反應(yīng)產(chǎn)物， 其中n為100-1000的數(shù)。
20.權(quán)利要求19的燃料電池，其中交聯(lián)劑為選自聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯和聚乙二醇二甲醚中的至少一種材料。
全文摘要
本發(fā)明披露一種聚合物電解質(zhì)及其制備方法和利用這種聚合物電解質(zhì)的燃料電池，所述聚合物電解質(zhì)包括磺化聚(醚酮酮)(SPEKK)和交聯(lián)劑的固化反應(yīng)產(chǎn)物。所述聚合物電解質(zhì)在高溫下具有類似于PBI的質(zhì)子傳導(dǎo)率，保持足夠的SPEKK聚合物載體的熱性能和機(jī)械性能，并且在約0％的相對(duì)濕度和高溫的條件下保持高的離子電導(dǎo)率，因此可用作在高溫和約0％的相對(duì)濕度下操作的燃料電池的電解質(zhì)膜。此外，該聚合物電解質(zhì)具有優(yōu)異的氧化穩(wěn)定性，并因此可用作定向甲醇燃料電池的電解質(zhì)膜。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1786047SQ20051012885
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月11日
發(fā)明者李明鎮(zhèn), 趙命東, 宣熙英 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社