用于PEM燃料电池应用的磺化-聚全氟环丁烷-聚苯聚合物制造技术

本发明专利技术涉及用于ＰＥＭ燃料电池应用的磺化－聚全氟环丁烷－聚苯聚合物。具体涉及用于离子导体应用的聚合物包括具有全氟环丁基部分的聚合物链段和具有这种部分的聚合物链段。这些聚合物链段中的一种经流化以提高离子传导性。提供了包含该离子传导聚合物的燃料电池。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的来讲涉及的领域包括聚合物电解质和燃料电池。
技术介绍
聚合物电解质在电化学装置(例如蓄电池和燃料电池)中起到重要的作用。为了达到最佳的性能，该聚合物电解质必须在高和低相对湿度下都保持高的离子传导性和机械稳定性。该聚合物电解质还需要具有用于长产品寿命的优良的化学稳定性和强度。已经开发了无规共聚物作为用于燃料电池的电解质。然而，由于其固有的无规链构型，无规共聚物通常在高湿度下会发生湿胀，而在低湿度下会发生过大的膜收缩。无规共聚物膜缺乏用于承受在运行的燃料电池内的水合和脱水的严酷情形的机械强度。因此，需要在宽范围的湿度条件下保持强机械性质和高离子传导性的改进的聚合物电解质。 因此，需要改进的聚合物电解质分子结构和这种聚合物电解质的合成方法。
技术实现思路
本专利技术通过在至少一种实施方式中提供包含聚合物链段1和2的聚合物组合物，解决了现有技术中的一个或多个问题 E1(Z1)d——P1-Q1-P2 E2(Z1)f——P3 其中 Z1是供质子基团(protogenic group)，例如-SO2X、-PO3H2、-COX等； E1、E2是包含芳香族或脂肪族的部分，其中E1和E2的至少一个包括取代有Z1的芳香族； X是-OH、卤素、酯或 d是与E1相连的Z1官能团的数量； f是与E2相连的Z1官能团的数量； P1、P2、P3、P4各自独立地为不存在、-O-、-S-、-SO-、-SO2-、-CO-、-NH-、NR2-或-R3-，且 R2为C1-25烷基、C1-25芳基或C1-25亚芳基； R3为C1-25亚烷基、C1-25全氟亚烷基、全氟烷基醚、烷基醚或C1-25亚芳基； R4为三氟甲基、C1-25烷基、C1-25全氟亚烷基、C1-25芳基或另一E1基团；和 Q1为氟代环丁基部分， 限定条件是当d大于0时，f为0；当f大于0时，d为0。 从下文提供的详细描述中，本专利技术的其它示例性的实施方式将变得显而易见。应当认识到尽管该详细描述和特别实施例公开了本专利技术的示例性实施方式，但其仅用于解释的目的，而不意于限制本专利技术的范围。 附图说明 从详细描述和附图中，本专利技术的示例性的实施方式将得到更充分的理解，其中 图1提供了包括本专利技术的实施方式的聚合物的燃料电池的示意图； 图2A和2B提供了通过使预聚物I和II或预聚物I′和II′偶联制备本实施方式的聚合物的合成方案； 图3A和3B提供了提供端基和相结合的连接基团的表格；和 图4是本专利技术的实施方式的燃料电池电压对电流密度的图表。 具体实施例方式 现在详细参考本专利技术的目前优选的组合物、实施方式和方法，其构成了本专利技术人目前已知的实施本专利技术的最佳方式。附图无需测量。然而，应当理解所公开的实施方式仅是本专利技术的实例，其可以具体体现为多种可替代的形式。因此，此处公开的特别细节并不解释为限定性的，而仅作为用于本专利技术的任意方面的代表性基础和/或作为用于教导本领域技术人员以不同方式使用本专利技术的代表性基础。 除非在实施例中或在另外明确指出的情况下，说明书中表示材料量或反应和/或使用条件的数值都应当理解为在描述本专利技术的最宽范围中有词语“约”修饰。在指出的数值界限内的实施通常是优选的。而且，除非相反明确指出，百分比、“份”和比值都以重量计；术语“聚合物”包括“低聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”、“嵌段”、“无规”、“链嵌段”等；适合或优选用于与本专利技术相关的指定目的的一组或一类材料的描述隐含了该组和该类中任意两种或多种元素的混合物同样适合或优选；化学术语中组分的描述是指在添加到说明书中特指的任意组合时的组成，并不必需排除一旦混合在混合物的组成之间的化学相互作用；首字母缩略词或其它缩略语的第一次定义适用于相同缩略语的在此处的所有后续使用，并加以必要的变更适用于最初定义的缩略语的常规语法变形；而且，除非相反明确指出，性质的测量值是由用于相同性质的前面或后面引用的相同技术所测定的。 应当理解本专利技术并不限定于下述的特别实施方式和方法，因为特别的组分和/或条件当然可以变化。此外，此处所用的术语都仅用于描述本专利技术的特别实施方式，决不意于对其进行限制。 应当指出，除非上下文中另外明确指出，在说明书和后附权利要求中所用的单数形式“一个”、“一种”(“a”、“an”)和“该”(“the”)包括复数形式。例如，涉及单数形式的组分意于包括多个组分。 参照图1，提供了包括包括本专利技术的聚合物的聚合物电解质的燃料电池。PEM燃料电池10包括位于阴极催化剂层14和阳极催化剂层16之间的聚合物离子传导膜12。聚合物离子传导膜12包括下面列出的一种或多种聚合物。燃料电池10还包括传导板20、22、气体通道60和66和气体扩散层24和26。 在本专利技术的实施方式中，嵌段共聚物包括可磺化的或磺化的聚合物链段和不可磺化的或未磺化的聚合物链段。至少一种实施方式的嵌段共聚物的实例包括聚合物链段1和2 E1(Z1)d——P1-Q1-P2 E1(Z1)d——P3 其中 Z1是供质子基团，例如-SO2X、-PO3H2、-COX等； E1、E2是包含芳香族或脂肪族的部分，其中E1和E2的至少一个包括取代有Z1的芳香族； X是-OH、卤素、酯或 d是与E1相连的Z1官能团的数量；在一种改进中，d等于E1中芳香环的数量。在另一改进中，E1中的各芳香环可以具有0、1、2、3或4个Z1基团。在另一改进中，d为平均1～4的整数； f是与E2相连的Z1官能团的数量；在一种改进中，f等于E2中芳香环的数量。在另一改进中，E2中的各芳香环可以具有0、1、2、3或4个Z1基团。在另一改进中，f为平均1～4的整数； P1、P2、P3各自独立地为不存在、-O-、-S-、-SO-、-SO2-、-CO-、-NH-、NR2-或-R3-，且 R2为C1-25烷基、C1-25芳基或C1-25亚芳基； R3为C1-25亚烷基、C1-25全氟亚烷基、全氟烷基醚、烷基醚或C1-25亚芳基； R4为三氟甲基、C1-25烷基、C1-25全氟亚烷基、C1-25芳基或另一E1基团；和 Q1为氟代环丁基部分， 限定条件是当d大于0时，f为0；当f大于0时，d为0。 j是表示聚合物链段2的重复数的数值。 E1-P1-Q1-P2 在本实施方式的变型中，聚合物链段1是通过以下聚合物链段中的一种或两种的磺化形成的 E1-P1-Q1-P2 E1(SO2X)d-P1-Q1-P2 在本实施方式的另一变型中，聚合物链段1和2重复以形成单元3和4 其中 i是表示聚合物链段1的重复数以限定聚合物单元3的数值；和 j是表示聚合物链段2的重复数以限定聚合物单元4的数值。 可以将聚合物链段1和2以及聚合物单元3和4加入到各种类型的聚合物中。例如，这些部分可以用于构造嵌段共聚物、无规共聚物等。在该变型的改进中，i和j各自独立地为1～500。在该变型的另一改进中，i和j各自独立地为1～200。在该变型的另一改进中，i和j各自独立地为1～35。在该变型的另一改进中，i和j各自独立地为5～60本文档来自技高网...

【技术保护点】
包含聚合物链段１和２的聚合物：　Ｅ↓［１］（Ｚ↓［１］）↓［ｄ］－Ｐ↓［１］－Ｑ↓［１］－Ｐ↓［２］　［１］　Ｅ↓［２］（Ｚ↓［１］）↓［ｆ］－Ｐ↓［３］　［２］　其中：　Ｚ↓［１］是供质子基团；　Ｅ↓［１ ］、Ｅ↓［２］是包含芳香族或脂肪族的部分，其中Ｅ↓［１］和Ｅ↓［２］的至少一个包括取代有Ｚ↓［１］的芳香族；　Ｘ是－ＯＨ、卤素、酯或　＊＊＊；　ｄ是与Ｅ↓［１］相连的Ｚ↓［１］官能团的数量；　ｆ是与Ｅ↓［２］相连的Ｚ ↓［１］官能团的数量；　Ｐ↓［１］、Ｐ↓［２］、Ｐ↓［３］、Ｐ↓［４］各自独立地为不存在、－Ｏ－、－Ｓ－、－ＳＯ－、－ＳＯ↓［２］－、－ＣＯ－、－ＮＨ－、ＮＲ↓［２］－或－Ｒ↓［３］－，且　Ｒ↓［２］为Ｃ↓［１－２５］烷基、Ｃ↓ ［１－２５］芳基或Ｃ↓［１－２５］亚芳基；　Ｒ↓［３］为Ｃ↓［１－２５］亚烷基、Ｃ↓［１－２５］全氟亚烷基、全氟烷基醚、烷基醚或Ｃ↓［１－２５］亚芳基；　Ｒ↓［４］为三氟甲基、Ｃ↓［１－２５］烷基、Ｃ↓［１－２５］全氟亚烷基、Ｃ ↓［１－２５］芳基或另一Ｅ↓［１］基团；和　Ｑ↓［１］为氟代环丁基部分，　限定条件是当ｄ大于０时，ｆ为０；当ｆ大于０时，ｄ为０。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：TJ富勒，SM麦金农，MR舍内韦斯，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]