[發明專利]用PFSA離聚物和ePTFE制成的反滲透膜

在審

• 申請號: 201310561129.5
• 申請日: 2013-09-12
• 公開（公告）號: CN103665417A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: T·J·富勒;L·鄒;I·C·哈拉萊;J·米切爾;M·W·費爾布魯格
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: C08J9/00
• 分類號: C08J9/00;C08L29/10;C08L27/18;C08K3/16;H01M2/14;H01M8/02
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 韋欣華;梁謀

技術領域

本發明涉及可用于增濕、反滲透和電池隔膜(separator)應用的離聚物膜。

背景技術

離聚物膜被應用于眾多現代應用，包括電池技術、燃料電池技術、反滲透、過濾等。

在電池應用中，將這種膜用作隔膜。電池隔膜是插入在陽極和陰極之間并位于電解液中的多孔片。例如，在鋰離子電池中，在放電期間鋰離子(Li⁺)從陽極移動到陰極。電池隔膜的作用是防止電極之間的物理接觸同時使得能夠傳遞離子。典型的現有技術隔膜包括微孔膜以及由無紡布制成的纖維墊。理想地，電池隔膜對于電池中發生的電化學反應是惰性的。因此，已使用各種聚合物來形成電池隔膜。

在燃料電池的情況下，將這種膜用作離子導體。例如，在質子交換膜型的燃料電池中，氫作為燃料被供給至陽極，并且氧作為氧化劑被供給至陰極。氧可以是純形式(O₂)或空氣(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料電池通常具有膜電極組件(MEA)，其中固體聚合物膜在一個面上具有陽極催化劑，并且在相反面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極和陰極層由多孔導電材料如機織石墨、石墨化片或碳紙形成，以使燃料能夠分散在面對燃料供給電極的膜表面上。每個電極具有負載在碳粒子上的細分散的催化劑粒子(例如鉑粒子)，以促進陽極處氫的氧化和陰極處氧的還原。質子從陽極穿過離子傳導性聚合物膜流到陰極，在陰極處與氧結合形成水，水從電池中流出。

MEA夾在一對多孔氣體擴散層(GDL)之間，它們進而又夾在一對無孔導電元件或導電板之間。該板充當了陽極和陰極的集電器，并且包含形成于其中的合適的通道和開口，用于將燃料電池的氣態反應物分配到相應的陽極和陰極催化劑的表面上。為了高效地產生電，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須是薄的、化學穩定的、質子傳遞性的、不導電的和不透氣的。在典型的應用中，燃料電池以堆疊的許多單個燃料電池的陣列提供，以便提供高電力水平。為了良好地工作，聚合物電解質膜需要由本文所述的水蒸氣傳輸性增濕膜提供的水合作用。

反滲透膜可用于許多應用，包括水純化以及從水醇混合物中濃縮乙醇。此類型的膜由重組纖維素制成，但該纖維素存在使用溫度低、易生物降解、和化學性質不穩定的缺點。

因此，本發明提供改進的制造可用于過濾、增濕、電池和燃料電池應用并具有分級(graded)孔徑的膜的方法。

發明內容

本發明通過提供用于形成膜的方法解決了現有技術的一個或多個問題。該方法包括將鋰鹽溶解在包含離聚物的溶液中以形成改性溶液的步驟，該離聚物包括生質子基團。由包含所述鋰鹽和所述包括生質子基團的離聚物的溶液形成膜。將該膜干燥然后使其與水接觸，從而在其中形成多個孔。利用此方法所形成的膜可用作電動車輛中的Li離子電池隔膜。其它應用包括：反滲透、水純化、水/乙醇混合物中的醇濃度調整、和增濕器。

具體地，本發明提供在以下各方面中所描述的技術方案：

1.形成膜的方法，所述方法包括：

a)將鋰鹽溶解在包含具有生質子基團的離聚物的溶液中以形成改性溶液；

b)由該改性容液形成膜；

c)干燥所述膜；以及

d)使所述膜與水接觸以在膜中形成多個孔。

2.如方面1所述的方法，其中所述鋰鹽是氯化鋰。

3.如方面1或2所述的方法，其中孔徑沿所述膜的厚度發生變化。

4.如方面3所述的方法，其中所述孔徑沿所述膜的厚度減小。

5.如方面4所述的方法，其中所述孔徑沿所述膜的厚度減小。

6.如方面4所述的方法，其中所述膜具有基本上無孔的區域。

7.如前述方面中任一項所述的方法，其中步驟b)中的膜通過使聚合物載體與所述改性溶液接觸形成。

8.如方面7所述的方法，其中所述聚合物載體是膨體聚四氟乙烯。

9.如前述方面中任一項所述的方法，其中所述生質子基團選自-SO₂X、-PO₃H₂、和-COX，其中X是-OH、鹵素、或C_1-6酯。

10.如前述方面中任一項所述的方法，其中所述具有生質子基團的離聚物是全氟磺酸聚合物。

11.如方面10所述的方法，其中所述全氟磺酸聚合物是包含基于全氟乙烯基化合物的聚合單元和基于四氟乙烯的聚合單元的共聚物，所述全氟乙烯基化合物如下式所示：