[發明專利]一種包含占噸結構的陰離子交換膜及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 201610056375.9
• 申請日: 2016-01-27
• 公開（公告）號: CN105566884A
• 公開（公告）日: 2016-05-11
• 發明（設計）人: 溫樂樂;陸地;薛立新
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: C08L71/10
• 分類號: C08L71/10;C08J5/22;C08G65/48;C08G65/40;H01M4/94
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明涉及電化學領域和高分子膜材料領域，具體涉及一種含季銨鹽側基和占噸 結構的聚芳醚化合物、陰離子交換膜及其制備方法和應用。

背景技術

燃料電池(AFCs)被認為是二十一世紀最具發展前景的能量轉換設備之一。質子交換膜燃料電池(PEMFCs)作為燃料電池(AFCs)的一種，由于能量密度和功率密度高、環境友好、可在室溫下快速啟動、無電解液流失、壽命長以及結構簡單等優點，在近些年來發展較為迅速。PEMFCs為酸性電解質體系，目前使用的離子交換膜主要以美國杜邦公司生產的系列膜為代表，具有比較高的離子電導率和機械性能，但是其價格昂貴，加上需使用鉑等貴金屬催化劑的同時還存在甲醇燃料滲透以及中間產物導致電極催化劑中毒等問題，嚴重阻礙了其進一步大規模的市場化應用。為了克服這些技術問題，科研工作者又提出了一種在堿性環境下工作的燃料電池技術，堿性陰離子交換膜燃料電池(AAEMFCs)，與質子交換膜燃料電池相比，具有明顯的特點和優勢：能夠有效地阻隔陰陽兩極的燃料和氧化劑，甲醇滲透率低；具有比在質子交換膜燃料電池中更快的反應速度；不會造成電極催化劑中毒；可使用Ag，Ni，Co等地球儲量豐富的過渡金屬，避免了必須使用貴金屬催化劑的情況，大大降低了生產成本。

作為AAEMFCs的重要組成部分，陰離子交換膜的性能對電池的性能具有重要影響。 AAEMFCs中的陰離子交換膜，需要有比較高的離子電導率、高的化學穩定性和熱穩定性以及 良好的機械性能等。目前在堿性環境中，電導率低和化學穩定性差是AAEMFCs面臨的主要問 題。能否制備出含有高的OH^-電導率的同時保持適當的溶脹度、具有足夠的機械強度和化學 穩定性并能夠耐80℃以及以上的高溫是AAEMFCs陰離子交換膜商業化面臨的重要挑戰之 一。陰離子交換膜的主鏈一般由聚芳醚類化合物或脂肪鏈聚合物構成，側基由帶電荷的季 銨鹽基團構成。聚芳醚化合物具有卓越的熱穩定性、機械性能和耐腐蝕性能，在燃料電池離 子交換膜材料領域受到廣泛的應用。因此，開發一種離子電導率高、熱穩定性和化學穩定性 好和低成本的聚芳醚類陰離子交換膜具有非常重要的實用意義。

本專利說明了基于包含占噸結構的陰離子交換膜具有比較高的離子電導率、機械 性能、化學穩定性以及熱穩定性能，能夠作為質子交換膜應用在堿性陰離子交換膜燃料電 池中和全釩液流電池中。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于提供一種包含占噸結構的聚芳醚化合物及其陰離 子交換膜，該陰離子交換膜具有比較高的離子電導率和化學穩定性，主鏈由聚芳醚化合物 構成，具有良好的機械性能和熱穩定性。

本發明的技術方案如下：

一種包含占噸結構的陰離子交換膜為如下式(Ⅰ)所示的包含占噸結構的聚芳醚化 合物：

其中x和y代表聚合度，x為1～200，y為0～200且x/(x+y)×100％＝5％～100％，y/ (x+y)×100％＝0％～95％，聚合物的相對分子量為10000～100000，R₁可為氫原子、甲基或 季銨鹽基團。

所述的各自獨立選自式(1)～式(2)中的任意一種：

當R₁＝氫時：選自下式(3)～式(4)中的任意一種：

T為甲基或季銨鹽基團。

當R₁＝甲基或季銨鹽基團時，選自下式(5)～式(10)中的任意一種：

優選的，側鏈季銨鹽基團可為如下取代基中的任意一種：

其中，X為任意帶負一價電荷的陰離子，可為Br^-，Cl^-或OH^-。

按照本發明，所述式(Ⅰ)為無規共聚物。

通過控制投料的比例，可以控制x和y組分的比值，x和y的數值反映出聚芳醚化合 物的分子量及其分子量分布范圍。

本發明的另一個目的在于提供上述包含占噸結構的聚芳醚化合物的制備方法。

本發明方法包括以下步驟：