[發明專利]一種減緩質子交換膜電化學降解的方法

在審

• 申請號: 201710333243.0
• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN108878993A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 俞紅梅;高學強;遲軍;賈佳;覃博文;邵志剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M10/42
• 分類號: H01M10/42
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及一種減緩質子交換膜電化學降解方法，該方法通過在質子交換膜中添加自由基淬滅劑，制備有機/無機復合型質子交換膜，在保證質子交換膜高電導率的前提下，提升了膜的電化學穩定性，這種復合膜在燃料電池及聚合物電解質水電解池中均表現出較好的穩定性。

技術領域

本發明屬于離子交換樹脂技術領域，尤其涉及到一種減緩質子交換膜電化學降解的方法。

背景技術

質子交換膜(PEM)作為一種具有較高離子電導率和化學穩定性的功能性高分子，目前已廣泛應用于能源存儲及轉化領域。其中，燃料電池和聚合物電解質(SPE)水電解池是質子交換膜成功用于新能源領域的典型代表。燃料電池由于其能量轉化效率高、比功率高、環境友好等優點，在車載動力電源以及移動式電源方面具有廣闊的應用前景；而SPE水電解制氫技術，相比于傳統的化石燃料制氫，具有操作條件溫和、快速響應以及性能穩定等優點，成為目前引人注目的制氫技術。作為這些清潔能源技術的關鍵材料——質子交換膜，除了要具有較高的離子電導率外，電化學穩定性也是必須要考慮的因素。因為質子交換膜的穩定性直接決定著燃料電池及SPE水電解池長期運行的壽命。

在研究中，質子交換膜的降解主要包括機械降解、熱降解以及化學降解，其中化學降解是長期運行中質子交換膜的主要降解方式。對于PEM的化學降解，在燃料電池操作中，反應氣體的滲透，催化劑鉑的溶解與再沉積，過渡金屬離子雜質以及自由基的生成等許多因素都會造成膜的化學降解；而在水電解條件下，常常伴隨H₂O₂的產生，當過渡金屬離子與H₂O₂共存時，H₂O₂易分解HO·&HOO·等自由基，進攻質子交換膜。目前普遍認為化學降解主要是自由基(HO·&HOO·)攻擊聚合物膜的主鏈或側鏈所致。因此，提高質子交換膜的化學穩定性成為一個十分重要的課題。

為減緩質子交換膜的衰減，提升其化學穩定性，主要有兩種手段：(1)在源頭上抑制自由基的產生；(2)及時淬滅產生的自由基。Curtin等人(Journal of Power Sources,2004.131.41)通過對PEM進行處理減少PEM中含H端基的含量，進而改善PEM的穩定性；中國科學院大連化學物理研究所的肖等人(中國專利：CN 102479956)通過對質子交換膜的微觀形貌進行修飾，很好地提高了膜的化學穩定性。上述方法主要集中在抑制自由基產生，而未對產生的自由基進行淬滅。通過向質子交換膜中，直接加入自由基淬滅劑提升PEM的化學穩定性是一種簡單易行，且十分有效的方法。

本發明選擇在質子交換膜中添加自由基淬滅劑，制備有機/無機復合膜，進而提升PEM的電化學穩定性，使其更好地應用于燃料電池以及SPE水電解池。

發明內容

本發明的目的在于提供一種減緩質子交換膜電化學降解的方法。

本發明的技術方案如下：

一種減緩質子交換膜電化學降解方法，主要是通過向質子交換膜中添加自由基淬滅劑，制備有機/無機復合型質子交換膜，其具體操作步驟如下：

(1)將含有磺酸基的離子交換樹脂溶解在溶劑中，配制樹脂溶液；

(2)將自由基淬滅劑的納米顆粒加入的樹脂溶液中，超聲分散均勻；

(3)將加入自由基淬滅劑的樹脂溶液澆鑄到水平玻璃板上，于干燥箱中揮發溶劑成膜。

(4)或者在質子交換膜的兩側表面分別制備一層自由基淬滅劑的納米粒子層；

(5)再在(4)中的納米粒子層上在噴涂一層磺酸基的離子交換樹脂層，制備層層復合膜。

在質子交換膜中添加的自由基淬滅劑包括二氧化鈰、二氧化錳、三氧化二鐵中的一種或兩種以上；自由基淬滅劑的添加方法為共混，層層復合。