发明背景
燃料电池可用各种各样的电解质，燃料及操作温度以各种方式作成
各种构型。例如，像氢或甲醇之类的燃料可以直接提供给燃料电池的电
极。或者，燃料如甲烷或甲醇可在电池本身外面转化成富含氢的气体混
合物，然后提供给燃料电池。虽然在某些用途中，氧是借过氧化氢分解
或自低温储藏系统而得，但在大多数的燃料电池中空气是氧气的来源。
虽然理论上电解质，燃料，氧化剂，温度等有无数种的组合，但实
际系统包括用氢或肼作为燃料源及纯氧作为氧化剂的固聚合物电解质系
统。掺杂着强酸的聚苯并咪唑(PBI)是一个用于电解质系统的适当固
体聚合物的实例。
本领域已知用强酸使聚苯并咪唑(PBI)密实薄膜吸取以作成质子
导介质。最近，美国专利第5,525,436号，(1996年6月11日颁予专
利)描述了在PBI中掺杂强酸例如磷酸或硫酸以致形成一个单一相系统
-亦即，酸溶于聚合物中的方法。
即使由于本领域有所进展，合适聚合物电解质物质的性能，高成本
和加工性能，就燃料电池的聚合物介质而言，仍是燃料电池构造上的重
要考虑。本领域仍需要用于制备燃料电池和燃料电池组件的新方法和材
料。
发明摘述
一方面，本发明提供一种制备用于燃料电池中作为电解液的聚合织
物，较佳PBI织物的方法。在一实施方案中，该方法包含将未磺化或已
磺化PBI纤维所组成的织物浸泡在酸性溶液中。织物的孔隙是由于吸入
酸的纤维膨胀而关闭。为了使隔膜气密并阻止气体在燃料电池运作时流
动穿过织物，关闭这些孔隙是必须的。
另一方面，本发明提供由聚合物纤维的纤维织物，较佳PBI磺化
或未磺化纤维所组成的织物，该织物的特征为具有高酸含量及令人满意
的电化学和/或机械性能。“高酸含量”是指织物含有介于约40至约95
重量％的吸入酸。这些织物可以用标准的编织和针织方法制备。PBI织
物的特征可为比先有技术生产出的织物具有更好的保留酸的能力。
还有另一方面，本发明提供一种包含根据本发明的磺化或未磺化吸
酸PBI织物的燃料电池。
本发明的另外一些方面与优点将在下面本发明优选实施方案的详细
说明中加以进一步说明。
发明的详细说明
本发明提供一种对本领域制备用在燃料电池中作为电解质的聚合织
物的方法及对织物本身的改良。一般而言，根据本发明，包含聚合纤维
的织物是以酸溶液供其吸或浸泡在酸中直到织物含有约40至约95重量
％的酸为止。
根据本发明，构成可用于本发明的织物的聚合纤维包括，但不限于，
聚苯并咪唑(PBI)、聚(吡啶)、聚(嘧啶)、聚咪唑、聚苯并咪唑、
聚苯并噻唑、聚苯并噁唑、聚噁二唑、聚喹喔啉、聚噻二唑、聚四吖
芘及磺化，未磺化PBI和/或这些聚合纤维的混合物。
目前，较佳的织物含有PBI纤维，其可磺化或未磺化。本发明人
等发现，由于PBI是一种碱性聚合物，它对酸有亲合力且将在极端状态
下保留酸。特定言之，磺化织物，是一种交联织物，将比未交联织物保
留额外量的酸且机械性能降低更少。由于吸入的速度和制造出的织物的
形态，所以本发明的方法是很有利的。然而，即使有此优越性，本领域
技术人员也可轻易的以包含其他聚合纤维的其他织物取代。
适当的织物可以容易地从各种商业来源获得，优选经过编织的织
物。然而，如此处所述，能吸取酸的针织或不织织物也可以使用。
目前，本发明中所用织物的纤维宜为小直径，即，直径在约10至
约500旦尼尔的范围。更佳为，纤维的直径为约20旦尼尔。需要小尺
寸的纤维，所得织物的厚度才会在0.5至5密耳的范围内。
目前较佳的织物是一种经涂覆的织物，其是如同时提出申请，同在
审查中的美国专利案“制造用于燃料电池的聚苯并咪唑糊及凝胶的方
法”中所述制备，并将该申请案并于此以供参考。该聚合物织物，较佳
为可吸入酸的PBI，附有介于0.1微米至100微米(较佳10～30微米)
的PBI糊或凝胶涂层，且含有介于70～99.9重量％，较佳约95～99重
量％的酸。PBI糊或凝胶是由PBI聚合物片和酸溶液混合而制备，酸溶
液可让聚合物膨胀而形成在室温下具糊状或凝胶状稠度的基体。这种方
法已详细说明于上面所述并于本文供参考的专利申请案中。PBI糊或凝
胶涂层是使用常规方法施涂。经涂膜织物的制备已详细说明于上述申请
案中。
一旦选出合适的织物，即将织物浸入酸溶液中足够时间以使酸被吸
入而不失去织物状的形态。目前，较佳的酸溶液包括溶于溶剂中的磷酸、
硫酸、Triflic酸、甲磺酸及其混合物。磷酸用于本发明未磺化纤维特佳。
目前，最佳的酸溶液包括磷酸和水或甲醇。然而，此酸及其他选用的酸
的其他适当溶剂如二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮(NMP)，或这些溶
剂与水及/或甲醇的混合物，已为本领域技术人员所知且可轻易决定。
酸溶液宜含有约5至约100重量％的酸和约0至约95重量％的溶
剂。在目前的一较佳实施方案中，酸溶液含有约50重量％酸及50重量
％水或甲醇。
在本发明方法的一实施方案中，织物是浸入酸浴中，在另一实施方
案中，织物和酸是在合适的混合容器中混合。这种混合可以在室温下进
行，但在酸凝固点和沸点间的任何温度都可以使用。
视情况而定，将混合物加热以能使织物吸酸比在室温下更快进行。
宜将混合物加热至介于约30℃至约200℃之间。更佳的温度范围为在约
50℃至约90℃之间。加热宜适当地进行约30秒至约8小时。所要加热
时间持续约5分钟至2小时。就挑选的织物中纤维而言，例如，由未磺
化PBI纤维构成的织物可吸入少于约65％至约70％的酸。相对而言，
由磺化PBI纤维构成的织物是交联的，可以吸入大于约65％至约70％
的酸而且还保持令人满意的机械性能。
所得经酸浸泡的织物在室温至约200℃，较佳在约80℃至约180℃
下烘干，以除去残余溶剂如二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、水、和/
或甲醇。此一干燥步骤将酸捕住而形成吸取酸的织物。织物中的孔隙是
藉吸取酸的纤维膨胀而关闭，它使织物变成气密(亦即，气体传输的有
效障壁)和阻止气体在燃料电池运作时流动通过织物。
根据本发明的方法，所得吸取酸的织物含有高酸含量，其量占吸酸
织物重量的约40％至约95％。一般而言，为使织物在燃料电池中充分
发挥作电解质的功能，需要约50重量％或更多的酸。更佳为织物含有
约50％至约75％的酸，以吸酸织物的重量为准。所得织物吸入的酸数
量取决于，且可藉纤维、织物、编织织物中编织的紧密度、温度、浸泡
时间及溶液中的酸浓度控制。以本说明书内容而言，本领域技术人员可
以容易地作出这些选择和修改本发明，而仍在本发明之内。本发明方法
的一个优点在于酸吸取是在短时间范围内发生，而先有技术的方法则需
用10至72小时。这个优点反应在电解质成本降低性能又更佳。
本发明的吸酸织物特别适合用在燃料电池中作为电解液。本发明的
吸酸织物由于其为织物形式很容易处理和无需在电解质中使用溶剂。再
者，已发现，本发明的吸酸聚合物织物保留酸而因此电解能力的时间比
先有技术的电解质更长久。这在本发明的吸酸织物尤其如此。因此，本
发明更进一步提供含有本发明吸酸织物的燃料电池。
以下实例将用PBI作为代表性聚合物说明本发明的较佳组合物和
方法。这些实例仅是例证性而不限制本发明的范围。
实例1-未磺化PBI吸酸织物
将未磺化PBI浸在含有85重量％磷酸的酸性水溶液中。酸浸是在
温度约21℃下进行约24小时。然后，在约120℃下将织物烘箱烘干约12
小时以除去残余的水。所得吸酸织物含有约50重量％的酸。
实例2-磺化PBI吸酸织物
将磺化PBI织物浸在含有85重量％磷酸的酸性水溶液中。酸浸是
在温度约60℃下进行浸约4小时。然后，在约120℃下将织物烘箱烘干
约12小时以除去残余的水。所得吸酸织物含有约65重量％的酸。
实例3-吸酸和经涂膜的PBI
根据本发明的吸酸织物基本上是如上述实例1所述制备。然而，吸
酸PBI织物在用于电极总成之前也予以涂膜。简言之，这种织物是如下
制备。
用下面方法制备的PBI糊涂覆实例1的吸酸PBI织物的两边。把
PBI聚合物(1克)加入到低速混合机中含有117克85重量％磷酸和15
％水的溶液中。在升高温度下，即在100℃下将混合物搅拌以除去残余
的水直至得到均一糊。所得糊或凝胶含有约99重量％的酸。所得每一
边涂层的厚度为约1密耳。在电极总成中，与电极的接触是藉凝胶/糊涂
层的存在促进而产生优越的燃料电池性能。
实例4-隔膜电极总成
将由未磺化PBI构成的织物浸泡在含85重量％磷酸的酸性水溶液
中。此一酸泡是在温度约60℃下进行约4小时。然后，织物可在约150
℃下烘干6小时以从酸处理中除去残余的水。或者，把织物制造成隔膜
电极总成，然后在燃料电池中就地干燥。所得吸酸织物含有约65重量
％的酸。
然后制造隔膜电极总成，其法是将吸酸织物放在两个电极之间，并
在温度130℃及压力50公斤/平方厘米下热压结一段约30秒的时间。然
后把隔膜电极放入燃料电池中。在典型的0.7伏特操作条件下，所得电
流密度及功率密度分别为约450毫安/平方厘米及315毫瓦特/平方厘米。
本发明的许多修正和变异已包括在上述已验证的说明书中，且预期
本领域技术将很明白。据信，本发明组合物及方法的这些修正及变化将
涵盖于后附权利要求书的范围内。