[發明專利]一種燃料電池共價有機骨架質子交換膜及制備方法

在審

• 申請號: 201810040838.1
• 申請日: 2018-01-16
• 公開（公告）號: CN108199066A
• 公開（公告）日: 2018-06-22
• 發明（設計）人: 陳慶;廖健淞
• 申請（專利權）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號: H01M8/1018
• 分類號: H01M8/1018;H01M8/1072
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及燃料電池領域，公開了一種燃料電池共價有機骨架質子交換膜及制備方法。包括如下制備過程：（1）將含質子酸基團的鹽類與對苯二胺混合加熱，實現在2^#位接枝上質子酸基團；（2）將取代反應的對苯二胺與含醛基的苯酚混合，進行配位加成反應，形成內壁存在酸配體的柱狀空心結構；（3）將配位加成反應的產物進行水浴加熱，通過物理成型為膜材，即為可用于燃料電池的共價有機骨架質子交換膜。本發明制得的質子交換膜與傳統質子交換膜相比，在中溫和低濕度條件下的電導率高，并且整個制備過程較為簡單，生產率較高，對環境無污染，具有一定經濟和環保優勢。

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，公開了一種燃料電池共價有機骨架質子交換膜及制備方法。

背景技術

隨著對化石燃料的不斷開采，化石燃料愈來愈多地面臨逐漸枯竭的局面。針對能源的短缺，一方面尋找新的替代能源，如太陽能、原子能等等；另一方面則是提高現有的化石能源的使用效率，延緩化石燃料枯竭的速度。由于傳統上通過熱能為中介，使化學能轉化為電能的效率相對較低，而直接將化學能轉化為電能可以通過燃料電池來實現。因此，發展燃料電池技術，對節約當前的資源來說，刻不容緩。

燃料電池是一種將燃料和氧化劑的化學能通過電化學反應方式直接轉換成電能的高效電裝置，其能量轉換率高，是一種環境友好的新型能源。燃料電池的種類很多，質子交換膜燃料電池是其中的一種，其最大的優點在于它能在室溫附近工作，而且電池啟動快，能量轉換率高，可大大減少環境污染。質子交換膜是燃料電池的最重要組成部分，不僅起到將電池的陰陽極分離開的作用，更重要的是質子交換膜還承擔著陰陽極之間離子傳遞的通道。

質子交換膜可分為全氟磺酸膜、非全氟化質子交換膜、復合膜等。其中全氟磺酸膜是目前應用在燃料電池上最廣泛的一種質子交換膜，具有性能穩定、機械強度高、質子傳導率高等優點，但存在對含水量依賴性高，溫度升高會引起導電率降低，單體合成困難，成本高，廢品難處理，價格高等局限性。經研究表明，共價有機框架材料作為有機-無機雜化的新興材料，具有良好的熱穩定性，同時具有較好的成膜性能，是用于質子交換膜制備的優質材料。目前對于共價有機框架材料用于質子交換膜的研究主要集中在質子導電性和穩定性方面。

中國發明專利申請號201610880958.3公開了一種Nafion/磷酸負載共價有機骨架材料復合膜，該復合膜厚度為70~100μm，是由Nafion與磷酸負載的共價有機骨架材料構成，其中，磷酸負載的共價有機骨架材料與Nafion質量比為0.05:1~0.2:1。其制備過程包括：合成共價有機骨架材料；利用真空輔助法將磷酸分子載入共價有機骨架材料的孔道內，得磷酸負載共價有機骨架材料；磷酸負載共價有機骨架材料與Nafion溶液共混得鑄膜液，經流延法制得該復合膜。此發明復合膜的所需材料廉價易得，制備過程簡便可控，制得的Nafion/磷酸負載共價有機骨架材料復合膜應用于質子交換膜燃料電池，在飽和濕度及低濕度下均具有較高的質子傳導率。

中國發明專利申請號201710326667.4公開了一種中溫質子交換膜及其制備方法；中溫質子交換膜包括耐熱聚合物基體和含氧酸鹽，含氧酸鹽裝載于耐熱聚合物基體中。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。此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。

根據上述，現有方案中普遍用于質子交換膜的全氟磺酸膜制備復雜，價格高，低濕度和高溫度下電導率差，易降解，對環境和人體健康造成不良影響，而新興的共價有機框架材料在高濕度條件下穩定性差，并且現有的制備工藝較為繁雜，產率低而成本高，鑒于此，本發明提出了一種燃料電池共價有機骨架質子交換膜及制備方法，可有效解決上述技術問題。

發明內容