[發(fā)明專利]多孔隔膜及其制備方法以及在燃料電池中的應(yīng)用

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210541959.7
• 申請日: 2012-12-14
• 公開（公告）號: CN103022530A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳冬菊;于山山
• 申請（專利權(quán)）人: 遼寧師范大學(xué)
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M2/16;H01M2/18
• 代理公司: 大連非凡專利事務(wù)所 21220
• 代理人: 曲寶威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種隔膜、該隔膜的制備方法及其應(yīng)用，特別是一種多孔隔膜及其制備方法以及在燃料電池中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

直接甲醇燃料電池是有可能首先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的燃料電池，它不僅可以廣泛用于燃料電池電動(dòng)車，而且比一般電池高出5～10倍的能量密度，在20～50℃下工作，可隨時(shí)、方便地補(bǔ)充燃料。

目前開發(fā)和使用的燃料電池隔膜，均為離子交換膜，即膜材料由含有離子交換基團(tuán)的聚合物組成，主要分為含氟離子交換膜和非氟離子交換膜，由于含氟膜價(jià)格昂貴，離子選擇性差等問題，研究人員針對非氟離子交換膜材料開展了大量研究和開發(fā)工作，常見的非氟聚合物為磺化或季氨化的聚芳酮、聚芳砜、聚芳醚、聚酰亞胺等材料。其中離子交換基團(tuán)起著傳輸離子的作用，聚合物主鏈保證膜的機(jī)械性能。但對絕大多數(shù)非氟離子交換膜，離子交換基團(tuán)的引入，大大降低了膜的氧化穩(wěn)定性，限制了膜在燃料電池中的使用壽命。

根據(jù)燃料電池的工作原理發(fā)現(xiàn)：膜在電池內(nèi)部所起到的主要作用是阻隔燃料（如甲醇、硼氫化鈉）、導(dǎo)通離子和隔絕電子。對于絕大多數(shù)樹脂來說，隔絕電子很容易做到，困難的是導(dǎo)通離子和隔絕燃料。進(jìn)一步研究直接甲醇燃料電池和直接硼氫化鈉燃料電池發(fā)現(xiàn)，電池的內(nèi)部是燃料和水的混合體系，離子可以通過水溶液進(jìn)行傳遞。從這三點(diǎn)出發(fā)，考慮用不含離子交換基團(tuán)的多孔膜作為燃料電池的隔膜。該類多孔膜的應(yīng)用原理是，控制膜的孔徑大小，利用樹脂材料與甲醇、硼氫根離子和水的親和差異，實(shí)現(xiàn)對燃料的有效阻隔。能實(shí)現(xiàn)該目的樹脂包括聚乙烯醇、殼聚糖、交聯(lián)聚丙烯酸、聚砜、聚酰亞胺、聚醚醚酮、聚偏氟乙烯、聚苯并咪唑、聚苯并惡唑、聚丙烯、聚乙烯、聚丁二烯或醋酸纖維素等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對目前離子交換膜在燃料電池中存在的不足，提供一種在燃料電池中使用壽命長、阻隔效果好、制備方法簡單的多孔隔膜及其制備方法以及在燃料電池中的應(yīng)用。

本發(fā)明的多孔隔膜是以一種或二種以上的有機(jī)高分子樹脂為原料制備而成的，所述的有機(jī)高分子樹脂為聚乙烯醇、聚砜、聚酮、聚酰亞胺、聚苯并咪唑、聚偏氟乙烯、聚乙烯吡啶、聚丙烯腈、聚丙烯、聚乙烯、聚丁二烯或醋酸纖維素，所述的二種以上的有機(jī)高分子樹脂為任意配比或等量配比。

所述的多孔隔膜由形態(tài)各異的皮層和支撐層組成，所述的皮層厚度為0.1-50um，孔徑尺寸為0.05～50nm，孔隙率為6～90%；所述的支撐層厚度為50～500mm，孔徑尺寸為0.05～10?um。

本發(fā)明多孔隔膜的制備方法，步驟如下：

1）將所述的有機(jī)高分子樹脂溶解在DMSO、DMAC、NMP、DMF中的一種或二種以上的溶劑中或溶解在DMSO、DMAC、NMP、DMF中的一種或二種以上的溶劑與易揮發(fā)性溶劑混合的混合溶劑中，在溫度為20～100℃下充分?jǐn)嚢?.5～10h制成共混溶液；其中有機(jī)高分子樹脂在共混溶液中的濃度為5～70wt%，易揮發(fā)性溶劑在混合溶劑中的濃度為0～50wt%；

所述的二種以上的溶劑為任意配比或等量配比，所述的易揮發(fā)性溶劑為四氫呋喃或環(huán)己烷或氯仿；

2）將步驟（1）制備的共混溶液傾倒在無紡布基底或直接傾倒在玻璃板或不銹鋼板上，揮發(fā)溶劑0～60秒，然后將其浸漬入樹脂的不良溶劑中5～600s，在-20～100℃溫度下制備成多孔隔膜，或?qū)⑵渲糜跇渲牟涣既軇┑恼羝麣夥罩校?20～100℃下制備成多孔膜；所述的不良溶劑為水或甲醇或乙醇或丙酮。

所述的燃料電池為直接甲醇類燃料電池或直接乙醇類燃料電池或直接硼氫化鈉燃料電池。

本發(fā)明的多孔隔膜在燃料電池中的應(yīng)用；所述的燃料電池為直接甲醇類燃料電池或直接乙醇類燃料電池或直接硼氫化鈉燃料電池。

本發(fā)明的有益結(jié)果如下：

1、本發(fā)明制備得多孔隔膜應(yīng)用在燃料電池中，通過控制孔徑大小實(shí)現(xiàn)水和燃料（醇、硼氫化鈉）的分離，保持了膜的離子透過性，不需要引入任何離子交換基團(tuán)，即可實(shí)現(xiàn)離子交換膜在燃料電池中的功能，避免了由于常規(guī)膜中離子交換基團(tuán)的引入而導(dǎo)致的聚合物氧化穩(wěn)定性的降低。

2、該類膜材料制備方法簡單，孔徑可控，成本低、容易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

3、本發(fā)明拓寬了燃料電池用膜材料的種類和使用范圍。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1制備的多孔隔膜的截面圖；

圖2本實(shí)施例7制備的多孔隔膜的截面圖；

圖3為實(shí)施例10制備的多孔膜在直接硼氫化鈉燃料電池中的運(yùn)行工況圖；

圖4為對比例Nafion212膜在直接硼氫化鈉燃料電池中的運(yùn)行工況圖。

具體實(shí)施方式