[發明專利]一種中溫質子交換膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201710326667.4
• 申請日: 2017-05-10
• 公開（公告）號: CN107331883B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 李海濱;陳小晶
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M8/1016
• 分類號: H01M8/1016
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

本發明提供了一種中溫質子交換膜及其制備方法；所述中溫質子交換膜包括耐熱聚合物基體和含氧酸鹽，所述含氧酸鹽裝載于耐熱聚合物基體中。所制備的中溫質子交換膜不僅具有高的質子電導率、良好的熱穩定性，而且具有出色的機械性能。其適宜于工作在100?400℃溫區，運行溫度低于熔融碳酸鹽電解質，由此能夠采用高機械強度的柔性聚合物作為支撐基體，裝載熔融態含氧酸鹽。本發明公開的熔融質子導體電解質膜，制備工藝簡便，適合工業化生產；同時其廉價的原材料有助于降低電解質膜以及燃料電池的成本，有望在中溫燃料電池領域、以及相關需要中溫質子傳導電解質膜的領域得到廣泛應用。

技術領域

本發明涉及的是一種電化學技術領域的電解質及其制備方法，具體是一種中溫質子交換膜及其制備方法。

背景技術

燃料電池是通過電化學反應將燃料中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。在各種燃料電池中，中溫燃料電池(運行溫度在100-400℃)展示出了吸引人的優勢。相比于低溫燃料電池，中溫燃料電池擁有增強的CO耐受性、更高的催化效率和電極動力學等；相比于高溫燃料電池，中溫燃料電池所用材料的選擇余地更寬，因而可降低材料成本。

燃料電池的核心是電解質，它決定了燃料電池的工作溫度。迄今，在各種燃料電池中，熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)是唯一使用熔融態電解質的燃料電池。為了保持該電解質為熔融態，要求燃料電池工作溫度高于550℃(標準工作溫度是650℃)。相比于其它燃料電池，MCFC的最大優勢在于采用熔融態電解質，易實現氣體密封、以及可減小電極與電解質的界面接觸電阻。并且，因其熔融態，熔融碳酸鹽電解質(例如(Li_0.52Na_0.48)2CO₃、(Li_0.62K_0.38)₂CO₃)需要裝載于一個多孔陶瓷支撐體中。而為了維持其良好機械強度，MCFC擁有非常厚的電解質(0.5–1.5mm)，造成電解質歐姆功率損耗增加。另一方面，550–650℃的操作溫度限制了材料選擇范圍，以至于不能使用柔性的聚合物作為支撐體，而只能使用耐溫、但脆性且易裂的陶瓷材料。

發明內容

本發明提供一種中溫質子交換膜及其制備方法。中溫質子交換膜適宜于工作在100–400℃中溫區，采用高機械強度的柔性聚合物作為支撐基體，裝載具有高質子導電能力的熔融態含氧酸鹽，并且可采用傳統的流延涂膜法制備超薄(10-100μm)支撐基體。聚苯并咪唑(PBI)與氟聚合物(如PVDF)具有良好的機械強度、化學穩定性、以及熱穩定性，本發明將其用作聚合物支撐基體。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

本發明提供了一種中溫質子交換膜，包括耐熱聚合物基體和含氧酸鹽，所述含氧酸鹽裝載于耐熱聚合物基體中。所述含氧酸鹽具有質子導電能力。

優選地，所述耐熱聚合物基體與含氧酸鹽的重量比為1：(0.1～5)。

更優選地，所述耐熱聚合物基體與含氧酸鹽的重量比為1：0.35～5。

優選地，，所述耐熱聚合物為耐熱碳氫聚合物、氟聚合物中的一種或者多種的組合；

所述含氧酸鹽為MHXO₄、MH₂X’O₄、MH₅(X’O₄)₂中的一種或多種的組合，其中M為Cs、Rb、K或NH₄⁺，X為S或Se，X’為P或As。

優選地，所述耐熱碳氫聚合物為聚苯并咪唑(PBI)；所述氟聚合物為聚偏氟乙烯(PVDF)。