推荐一种碱性固体电解质膜及其制备工艺的制作方法

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一种碱性固体电解质膜及其制备工艺的制作方法

[0001 ] 本发明涉及一种燃料电池碱性固体电解质膜及其制备工艺。

[0002]聚合物电解质膜燃料电池是一种能直接将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的电化学装置,具有能量转换效率高、环境友好、比能量高(相对于电池)、操作温度低、启动快的特点,可广泛应用于汽车、电站、移动电源等领域。聚合物电解质膜或固体电解质膜则是聚合物电解质膜燃料电池中的核心部件,起着分隔燃料和氧化剂、传导离子和绝缘电子的作用。
[0003]聚合物电解质膜燃料电池中使用最多的固体电解质膜是以杜邦公司的Naf1n全氟磺酸膜为代表的质子交换膜,这些膜的质子传导能力对膜的含水量依赖度较高,在较高温度(>80°C)下面临着因失水而导致的离子传导率急剧下降的问题。目前面临着短寿命和高价格双重问题,有必要开发新型固体电解质膜。使用碱性固体电解质膜的碱性聚合物电解质膜燃料电池,具有以下优点:一是电池对催化剂要求低,可使用银或镍来代替贵金属钼做催化剂;二是碱性阴离子交换膜中的阳离子均固定在聚合物链上、液相中不存在游离的盐,能避免传统的碱性燃料电池碱性液态电解质易与C02反应的影响;三是膜内导电离子的传输方向与甲醇燃料扩散方向相反,有利于抑制燃料在膜中渗透。但燃料电池碱性固体电解质膜的研究仍处在起始阶段,没有商品化的产品。



[0004]本发明就是针对上述问题提出一个新的解决方案,即采用传导氢氧根离子的聚合物或其前体与惰性聚合物或其前体经物理混合、化学反应后制备全互穿网络,用作燃料电池碱性固体电解质膜。
[0005]本发明具有以下优点:全互穿网络的碱性固体电解质膜以惰性材料构成的网络作为支撑;以传导氢氧根离子的原料所形成的网络为离子传输通道;具有与全氟磺酸膜相似的形实现貌结构,因而可以实现氢氧根离子高速传导。

[0006]实施例1
将浓度为10%的聚乙烯亚胺与10%的聚乙烯醇以6:4均匀混合,然后同时加入1,4 二溴丁烷和戊二醛,采用流延方法成膜,经60°C干燥24揭下具有全互穿网络的膜。浸入1M的氢氧化钠溶液碱化,获得传导氢氧根离子的固体电解质膜。60°C和100%润湿条件下氢氧根离子的传导率为0.032S/cm。
[0007]实施例2
将浓度为10%的聚乙烯醇与10%氯甲基化聚砜以3:7均匀混合,然后同时加入四甲基乙二胺和戊二醛,采用流延方法成膜,经60°C干燥24揭下具有全互穿网络的膜。先浸入33%的三甲胺水溶液季铵化,再浸入1M的氢氧化钠溶液碱化,获得传导氢氧根离子的固体电解质膜。60°C和100%润湿条件下氢氧根离子的传导率为0.021S/cm。
[0008] 实施例3
将浓度为10%的磺化聚醚醚酮与10%氯甲基化聚砜以8:2均匀混合,然后加入四甲基乙二胺采用流延方法成膜,经60°C干燥24揭下具有全互穿网络的膜。先在80°C浸入甲基磺酸/五氧化二磷的混合液,对磺化聚醚醚酮进行交联,再浸入33%的三甲胺水溶液进一步季铵化,最后浸入1M的氢氧化钠溶液碱化,获得传导氢氧根离子的固体电解质膜。60°C和100%润湿条件下氢氧根离子的传导率为0.013S/cm。

1.一种燃料电池碱性固体电解质膜,其特征是具备传导氢氧根离子能力的全互穿网络。2.—种权利要求1所述膜的制备方法,其特征在于传导氢氧根离子的聚合物与惰性的聚合物按比例均匀混合后,加入各自相应的交联剂混合均匀后成膜;将所得的膜清洗干净再浸入氢氧化钠溶液获得燃料电池碱性固体电解质膜。3.一种权利要求1所述膜的制备方法,其特征在于传导氢氧根离子的聚合物前体与惰性的聚合物按比例均匀混合后,加入各自相应的交联剂混合均匀后成膜;将所得的膜清洗干净再先后浸入三甲胺和氢氧化钠溶液获得燃料电池碱性固体电解质膜。4.一种权利要求1所述膜的制备方法,其特征在于传导氢氧根离子的聚合物前体与惰性的聚合物前体按比例均匀混合后,加入各自相应的交联剂混合均匀后成膜;将所得的膜清洗干净再先后浸入三甲胺和氢氧化钠溶液获得燃料电池碱性固体电解质膜。5.—种权利要求1所述膜的制备方法,其特征在于传导氢氧根离子的聚合物与惰性的聚合物前体按比例均匀混合后,加入各自相应的交联剂混合均匀后成膜;将所得的膜清洗干净再浸入氢氧化钠溶液获得燃料电池碱性固体电解质膜。6.—种权利要求1所述膜的制备方法,其特征在于传导氢氧根离子的聚合物与惰性的聚合物按比例均匀混合后成膜;然后将所得的膜依次用相应的交联剂溶液浸泡,清洗干净再浸入氢氧化钠溶液获得燃料电池碱性固体电解质膜。7.—种权利要求1所述膜的制备方法,其特征在于传导氢氧根离子的聚合物与惰性的聚合物按比例均匀混合后,加入一种聚合相应的交联剂成膜;然后将所得的膜再用另一种聚合物相应的交联剂溶液浸泡,清洗干净再浸入氢氧化钠溶液获得燃料电池碱性固体电解质膜。8.根据权利要求2-7所述的传导氢氧根离子的聚合物或其前体包括但不限于聚乙烯亚胺、二甲基二烯丙基氯化铵-丙烯酰胺共聚物、卤甲化聚砜、卤甲化聚醚砜、卤甲基化聚醚酮、卤甲基化聚醚醚酮、卤甲基化聚醚醚酮酮、卤甲基化聚杂萘联苯醚酮、卤甲基化聚杂萘联苯醚砜、卤甲基化聚杂萘联苯醚砜酮、卤甲化聚酰亚胺、卤甲基化聚醚酰亚胺、卤甲基化聚苯醚、卤甲基化聚苯乙烯、溴化聚2,6 —二甲基一 1,4 一苯醚、季铵化聚砜、季铵化聚醚醚酮、季铵化聚酰亚胺、季铵化聚苯乙烯、季铵化聚2,6- 二甲基-1,4-苯醚、季膦化聚砜、季膦化聚醚醚酮、季膦化聚酰亚胺、季膦化聚苯乙烯、季膦化聚2,6- 二甲基-1,4-苯醚、咪唑化聚砜、咪唑化聚醚醚酮、咪唑化聚酰亚胺、咪唑化聚苯乙烯、咪唑化聚2,6- 二甲基-1,4-苯醚。9.根据权利要求2-7所述的惰性聚合物或其前体包括但不限于聚乙烯醇、磺化聚醚醚酮、磺化聚砜、磺化聚酰亚胺、磺化聚苯乙烯。10.根据权利要求2-7所述的交联剂包括但不限于戊二醛、乙二醛、线形酚醛树脂、.1,2- 二溴乙烷、1,4- 二溴丁烷、N,N,N’,N’ -四甲基乙二胺、二乙胺、甲基磺酸/五氧化二磷的混合液。
本发明公开了一种碱性固体电解质膜及其制备工艺。这种碱性固体电解质膜是由传导氢氧根离子的聚合物网络和惰性的聚合物网络构成的全互穿网络。惰性聚合物网络为碱性固体电解质膜提供机械支撑,离子的聚合物网络为氢氧根离子提供传输通道。这种与全氟磺酸质子交换膜相似的形貌结构赋予了碱性固体电解质膜较好的氢氧根离子传导能力。
H01M8/10, C08J5/22
CN105489914
CN201410469130
张宏伟, 严秋玲, 龚玉娇
张宏伟
2016年4月13日
2014年9月16日

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