專利名稱：三嵌段共聚物和由其制備的電解質(zhì)膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 三嵌段共聚物和由其制備的電解質(zhì)膜。更具體而言，本發(fā)明涉及三嵌段共聚物、由其制備的電解質(zhì)膜和應(yīng)用了該電解質(zhì)膜的燃料電池，該三嵌段共聚物可用于應(yīng)用于分布式發(fā)電廠、熱電廠(cogeneration plants)、無污染車用電源、商用電源、家用電源和移動(dòng)設(shè)備電源等的燃料電池的電解質(zhì)膜。
背景技術(shù)：
近來，常規(guī)能源如石油和煤的預(yù)計(jì)耗盡已經(jīng)導(dǎo)致對(duì)替代能源日益增長(zhǎng)的關(guān)注。特別是，燃料電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于，燃料電池高效率，不釋放污染物如NOx和S0X，以及所用燃料豐富，因此吸引了大量的關(guān)注。燃料電池是一種將燃料和氧化劑的化學(xué)鍵能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電系統(tǒng)。通常，氫氣、甲醇或烴(例如丁烷)用作燃料，氧氣用作氧化劑。在燃料電池中用于發(fā)電的最基本單元是膜電極組件(MEA)，該膜電極組件由電解質(zhì)膜和在該電解質(zhì)膜的兩個(gè)表面上形成的陽極和陰極組成。參照說明燃料電池發(fā)電機(jī)理的反應(yīng)路線I (在氫氣用作燃料的情況下燃料電池的反應(yīng)路線)，在陽極，發(fā)生氧化反應(yīng)以產(chǎn)生氫離子和電子，且該氫離子通過電解質(zhì)膜移向陰極。在陰極，氧氣(氧化劑)、通過電解質(zhì)膜遷移的氫離子與電子反應(yīng)而生成水?；谶@些反應(yīng)，在外電路中發(fā)生電子傳遞。[反應(yīng)路線I]在陽極:H2— 2H++2e-在陰極:l/202+2H++2e_— H2O總反應(yīng):H2+l/202— H2O在燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池(也稱作“聚合物電極膜燃料電池”，PEMFC)提供高的能源效率、高的電流密度和功率密度、短的驅(qū)動(dòng)時(shí)間和對(duì)載荷變化的快速響應(yīng)。質(zhì)子交換膜燃料電池使用質(zhì)子交換膜，并且要求在運(yùn)行溫度下高的質(zhì)子傳導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性，低的氣體滲透率，尤其是作為膜的優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度。雖然已經(jīng)開發(fā)出滿足這些要求的膜，但是需要生產(chǎn)價(jià)格上有競(jìng)爭(zhēng)力的膜的清潔制備技術(shù)以使得能夠商業(yè)化?；诜哪ぃ?Nafion (由 Du Pont 制造)、Aciplex(由 Dow membrane 或 Asahi Chemical 制造)，缺點(diǎn)在于在低濕高溫過程中質(zhì)子傳導(dǎo)率下降，并且生產(chǎn)成本高。因此，大量與非氟聚合物有關(guān)的研究在積極開展，在該非氟聚合物中將極性基團(tuán)引入作為基礎(chǔ)骨架的耐熱聚合物中以提供聚合物電解質(zhì)的功能性。其中，具有芳族衍生物和醚鍵的聚(芳醚)聚合物表現(xiàn)出良好的耐熱性和耐化學(xué)性、優(yōu)異 的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異的耐用性和低的生產(chǎn)成本。但是，鑒于燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜產(chǎn)生大量的水的事實(shí)，尺寸穩(wěn)定性是待考慮的非常重要的因素。通常，電解質(zhì)膜應(yīng)該具有高的離子交換能力(IEC)，以具備高的離子傳導(dǎo)性。但是，由于電解質(zhì)膜的離子交換能力(IEC)與吸水性直接相關(guān)，隨著吸水性提高，離子交換能力提高。結(jié)果，尺寸穩(wěn)定性變差，膜厚度增加，由此不利地導(dǎo)致電池的整體性能變差。
但是，有效解決尺寸穩(wěn)定性的問題、同時(shí)保持優(yōu)異性能的非氟聚合物膜還是未知的。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題因此，已經(jīng) 完成本發(fā)明以解決上述問題和其它仍必須要解決的技術(shù)問題。為了解決上述問題，作為各種廣泛而深入的研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如下所述，本發(fā)明的發(fā)明人開發(fā)了一種三嵌段共聚物，該三嵌段共聚物具有含有極性部分的共聚物嵌段與含有非極性部分的共聚物嵌段交替鍵接的結(jié)構(gòu)，且重均分子量為100，000至1，000，000g/mol,并且發(fā)現(xiàn)在使用該三嵌段共聚物的情況下可以保持優(yōu)異的電池性能且可以提高尺寸穩(wěn)定性?；谠摪l(fā)現(xiàn)完成了本發(fā)明。技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供三嵌段共聚物作為燃料電池用的聚合物電解質(zhì)膜，該三嵌段共聚物具有t-P-N-P-t或t-N-P-N-t的分子結(jié)構(gòu)，其中t表示由末端形成單體形成的聚合物末端，P表示含有極性部分的共聚物嵌段，N表示含有非極性部分的共聚物嵌段，以及該三嵌段共聚物的重均分子量為100，000至1，000，000g/mol。本發(fā)明的三嵌段共聚物具有極性-非極性-極性或非極性-極性-非極性的共聚物嵌段排列。所述三嵌段共聚物由三個(gè)嵌段構(gòu)成，這是因?yàn)樗赡┒诵纬蓡误w制備。在不使用末端形成單體的情況下，形成其中多個(gè)含有極性部分的嵌段與多個(gè)含有非極性部分的嵌段交替鍵接的多嵌段共聚物。發(fā)現(xiàn)該多嵌段共聚物不能發(fā)揮本發(fā)明所需的物理性質(zhì)。本發(fā)明的三嵌段共聚物取決于所用單體的特定類型和聚合條件可以具有多種分子量。三嵌段共聚物的重均分子量?jī)?yōu)選為100，000至1，000，000g/mol。當(dāng)重均分子量小于100, 000g/mol時(shí)，難以形成膜，或者雖然可能形成膜，但膜的機(jī)械性質(zhì)可能差。當(dāng)重均分子量超過1，000，OOOg/mol時(shí)，難以將聚合物分散在溶劑中，并且可加工性可能變差。本發(fā)明的三嵌段共聚物具有t-P-N-P-t或t-N-P-N-t的結(jié)構(gòu)。含有極性部分的共聚物嵌段(P)是親水性的，因此有助于離子傳導(dǎo)率，而含有非極性部分的共聚物嵌段(N)是疏水性的，因此增強(qiáng)機(jī)械性質(zhì)。由此本領(lǐng)域技術(shù)人員將根據(jù)特定應(yīng)用和運(yùn)行環(huán)境來適當(dāng)?shù)剡x擇這兩種類型的三嵌段共聚物中的一種用于電解質(zhì)膜。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，P表示由下面式I所表示的共聚物嵌段，N表示由下面式2
所表示的共聚物嵌段:
權(quán)利要求
1.一種三嵌段共聚物，其作為燃料電池用的聚合物電解質(zhì)膜，具有t-P-N-P-t或t-N-P-N-t的分子結(jié)構(gòu)， 其中，t表示由末端形成單體形成的聚合物末端，P表示含有極性部分的共聚物嵌段，N表示含有非極性部分的共聚物嵌段， 其中所述三嵌段共聚物的重均分子量為100，000至1，000，000g/mol。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三嵌段共聚物，其中，P表示由下面式I所表示的共聚物嵌段，N表示由下面式2所表示的共聚物嵌段:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三嵌段共聚物，其中t各自獨(dú)立地是選自對(duì)甲酚、苯氧基、二苯甲酮和甲氧基中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三嵌段共聚物，其中含有極性部分的共聚物嵌段的重均分子量為 3，500 至 350，000g/mol。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三嵌段共聚物，其中含有非極性部分的共聚物嵌段的重均分子量為 3，000 至 400，000g/mol。
6.一種電解質(zhì)膜，其包含根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的三嵌段共聚物，其中M被H取代，M是Na或K。
7.一種燃料電池，包括: 包括多個(gè)膜電極組件的堆棧，其中電極粘附到根據(jù)權(quán)利要求6所述的電解質(zhì)膜的兩偵牝該多個(gè)膜電極組件層疊使得隔板插入在兩個(gè)相鄰的膜電極組件之間； 燃料供應(yīng)部，用于向所述堆棧供應(yīng)燃料；以及 氧化劑供應(yīng)部，用于向所述堆棧供應(yīng)氧化劑。
全文摘要
本發(fā)明提供三嵌段共聚物和由其制備的電解質(zhì)膜。該三嵌段共聚物具有含有極性部分的共聚物嵌段/含有非極性部分的共聚物嵌段/含有極性部分的共聚物嵌段或者含有非極性部分的共聚物嵌段/含有極性部分的共聚物嵌段/含有非極性部分的共聚物嵌段的結(jié)構(gòu)，并且可用于燃料電池用的電解質(zhì)膜。由所述三嵌段共聚物制備的燃料電池用的電解質(zhì)膜表現(xiàn)出優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和優(yōu)異的燃料電池性能。
文檔編號(hào)C08G61/00GK103097428SQ201080069109
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月14日
發(fā)明者崔盛晧, 金赫, 李詳雨, 魯臺(tái)根, 金志洙 申請(qǐng)人:Lg化學(xué)株式會(huì)社