[發明專利]一種燃料電池用復合陰離子交換膜及其制備方法

無效

• 申請號: 200910248539.8
• 申請日: 2009-12-18
• 公開（公告）號: CN102104156A
• 公開（公告）日: 2011-06-22
• 發明（設計）人: 張鳳祥;張華民;曲超;邱艷玲;任俊霞
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/94
• 分類號: H01M4/94;H01M4/88;C08J7/12;C08J7/06
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳;周秀梅

技術領域

本發明涉及燃料電池關鍵材料領域。具體地說是一種高性能、低成本、工藝簡單的燃料電池用復合陰離子交換膜及其制備方法。

背景技術

全球經濟的快速發展大大加大了對能源的需求量。然而，石油，天然氣，煤炭等化石資源在地球上的儲藏量有限，不是取之不盡、用之不竭的。不僅如此，化石燃料的使用大量排放CO₂、NxO、碳氫化合物及硫化物等污染物，導致溫室效應、酸雨、臭氧層破壞等環境污染問題，人類面臨著日愈嚴重的能源和環境危機。因此開發新型清潔能源已引起世界各國政府和企業界的高度重視。質子交換膜燃料電池(Proton?Exchange?Membrane?FuelCell，PEMFC)是一種以質子交換膜為電解質，利用氫氣與空氣中的氧氣分別在電池的兩極發生氧化-還原反應并釋放出電能的新一代能源技術。它具有高能量轉換效率，高能量密度，環境友好等特點，一直被認為是利用氫能解決未來人類能源和環境危機的終極方案。然而PEMFC質子交換膜如Nafion成本高，電池運行的強酸性環境使電催化劑的選擇只能限于鉑等貴金屬，造成PEMFC的成本高昂。因此近年來堿性陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)開始受到越來越多的關注，它的主要優勢在于：(1)可采用非貴金屬如Ag、Ni、Co等作為電催化劑，使電池成本降低；(2)OH^-透過陰離子交換膜從陰極到陽極遷移使得燃料的滲透得到抑制，提高燃料利用率和電池性能。

陰離子交換膜是AEMFC的關鍵材料之一。陰離子交換膜體系主要是季銨鹽型高分子聚合物均質膜，復合膜和有機/無機雜化膜。從膜材料和制備角度劃分主要包括聚芳醚砜型和聚四氟乙烯接枝苯乙烯型。傳統陰離子膜所面臨的主要問題一是電導率較低，這主要是所傳導的氫氧根離子水合半徑較大，通過膜的傳導阻力較大；較低的電導率導致電池的輸出功率大多在幾十mW/cm²；二是膜的機械性能和穩定性較低，在較高溫度和堿性條件下季銨基團很容易發生降解(T.Sata?et?al.，J.MembraneSci.，1996，112，161)，導致膜的離子傳導功能喪失。

為提高離子交換膜的性能，一種途徑是將導離子聚合物與高強度的基體材料乳聚四氟乙烯(PTFE)復合，這種方法在質子交換膜方面已經有很多報道。日本專利JP62-240627采用全氟離子交換樹脂直接浸入多孔PTFE制備復合膜，但所得到的膜不是完全致密的，離子交換樹脂不能緊密的粘合在PTFE內部。美國專利US5,547,551采用全氟磺酸樹脂和辛基酚聚乙氧基乙醇(非離子表面活性劑)混合溶液在在聚四氟乙烯膜表面涂刷，然后將復合膜浸泡在異丙醇水溶液中去除表面活性劑。該方法能夠使磺酸樹脂進入到聚四氟乙烯微孔中，但制膜工藝繁瑣，表面活性劑去除后，磺酸樹脂與基膜之間的結合無法保證。中國專利CN1172391C采用全氟磺酸溶液和高沸點溶劑混合溶液滴加到多孔膜表面，全氟磺酸樹脂依靠重力作用進入膜孔中，加熱揮發溶劑并真空處理。該方法工藝簡單成本低，但所得的膜應用在燃料電池中表現為開路電壓低，說明全氟磺酸樹脂與PTFE的結合仍然不夠好。以上諸方法的共同特征是樹脂以高分子溶液的形式注入PTFE孔中，溶液的黏度會阻止其有效填充，溶劑的蒸發也會產生應力，使樹脂與PTFE分離，界面穩定性較差。由于以上原因，文獻中鮮見季銨鹽樹脂直接與PTFE復合的報道。