[發(fā)明專利]一種氫燃料電池用質(zhì)子交換膜材料及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010213898.6
• 申請日: 2020-03-24
• 公開（公告）號: CN111454475B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 沈威;何衛(wèi);萬方亮;夏孝杰
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司;深圳市深燃燃?xì)饧夹g(shù)研究院
• 主分類號: C08J5/22
• 分類號: C08J5/22;C08F126/06;H01M8/103;H01M8/1069;C08L39/04
• 代理公司: 深圳市君勝知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44268
• 代理人: 徐凱凱;劉芙蓉

本發(fā)明公開一種氫燃料電池用質(zhì)子交換膜材料及其制備方法與應(yīng)用，所述質(zhì)子交換膜材料為聚磺酸咪唑型內(nèi)鹽，所述聚磺酸咪唑型內(nèi)鹽的結(jié)構(gòu)式為如下所示中的一種：其中，8000≤n≤25000。本發(fā)明質(zhì)子交換膜材料具備內(nèi)鹽結(jié)構(gòu)，不經(jīng)酸化或者堿化即可傳遞質(zhì)子或者氫氧根離子，或者同時傳遞兩種離子；另外，內(nèi)鹽結(jié)構(gòu)使得制得的質(zhì)子交換膜具有良好的離子傳導(dǎo)能力，從而具備良好的導(dǎo)電性；此外，機(jī)械強(qiáng)度高，從而使得聚合物膜具有良好的機(jī)械強(qiáng)度；最好，對于溫度和濕度的要求不高，只要分子的聚合度足夠高，對溫度和濕度的依賴性小，可以在較寬的溫度和濕度范圍內(nèi)正常工作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氫燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氫燃料電池用質(zhì)子交換膜材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

氫燃料電池具有綠色無污染、啟動速度快、使用壽命長及效率高等優(yōu)點，被視為燃料電池領(lǐng)域前景最光明的理想發(fā)電裝置。主要使用范圍包括分散性電站和交通運輸能源電源等領(lǐng)域，也是手機(jī)、筆記本電腦與電動汽車等便攜式移動設(shè)備的理想電源裝備。質(zhì)子交換膜是電池關(guān)鍵組成之一。它的“健康程度”直接影響著燃料電池的品質(zhì)的好壞與功率的高低。為提高效率，縮短燃料電池中催化劑和氣體擴(kuò)散層之間的距離，將其集成于電極層中從而加快反應(yīng)。在燃料電池運行時，燃料和氧化劑源源不斷地供給到電池的正負(fù)極，燃料在陽極被催化氧化后，催化得到的質(zhì)子通過質(zhì)子膜從電池的陽極到陰極，而同生電子經(jīng)外部電路移動到陰極。氧化劑在陰極催化層中經(jīng)歷電子還原反應(yīng)后與質(zhì)子結(jié)合形成水。理論上，只要連續(xù)供應(yīng)燃料和氧化劑，電池就可以繼續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)生電流。

目前，世界上商業(yè)化程度最高的質(zhì)子交換膜是全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，聚苯乙烯主鏈結(jié)構(gòu)構(gòu)成疏水部分，而親水部分由側(cè)鏈的磺酸基團(tuán)構(gòu)成。其中最成功的是由美國杜邦公司研發(fā)的一系列Nafion膜。此外，美日意等國家研發(fā)的如下所示的Dow膜、Aciplex膜、Flemion膜以及Aquivion膜也已經(jīng)逐漸嶄露頭角，實現(xiàn)一定規(guī)模的商業(yè)化。

明顯的親疏水相分離結(jié)構(gòu)，親水性側(cè)鏈遠(yuǎn)離主鏈形成連續(xù)的質(zhì)子傳輸通道，同時超強(qiáng)酸結(jié)構(gòu)的存在，使其在完全水合下具備高質(zhì)子傳導(dǎo)率。此外，由于這種特殊的結(jié)構(gòu)使主鏈不容易受到自由基的攻擊而分解，而且F原子具有強(qiáng)的電負(fù)性，而且C-F高達(dá)489kJ/mol的鍵能，使全氟磺酸膜具有優(yōu)異的穩(wěn)定性與較強(qiáng)的機(jī)械性能。然而，盡管Nafion膜是燃料電池領(lǐng)域目前最優(yōu)秀的商用程度最高的質(zhì)子交換膜，其依然存在明顯的短板：(1)造價昂貴成本高，制作工藝復(fù)雜；(2)燃料的滲透率高，尤其是以甲醇為燃料時，滲透現(xiàn)象嚴(yán)重，使電池的開路電壓急劇下降，存在嚴(yán)重的安全隱患；(3)對水的依賴性很高，只能適用于低溫(＜80℃)高濕度(RH＝100％)條件下，在100℃以上或濕度低的情況下，質(zhì)子傳導(dǎo)率大幅下降。其中對水的管理成為制約電池運行的首要因素。因此，研究人員進(jìn)行了大量研究探索，制備在高溫下可安全穩(wěn)定運行的質(zhì)子交換膜成了新的研究方向。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種氫燃料電池用質(zhì)子交換膜材料及其制備方法與應(yīng)用，旨在解決現(xiàn)有質(zhì)子交換膜材料對水的依賴性很高，只能適用于低溫高濕度條件的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種氫燃料電池用質(zhì)子交換膜材料，其中，所述質(zhì)子交換膜材料為聚磺酸咪唑型內(nèi)鹽，所述聚磺酸咪唑型內(nèi)鹽的結(jié)構(gòu)式如下所示：

其中，8000≤n≤25000。

一種氫燃料電池用質(zhì)子交換膜材料，其中，所述質(zhì)子交換膜材料為聚磺酸咪唑型內(nèi)鹽，所述聚磺酸咪唑型內(nèi)鹽的結(jié)構(gòu)式如下所示：

其中，8000≤n≤25000。

一種氫燃料電池用質(zhì)子交換膜材料，其中，所述質(zhì)子交換膜材料為聚磺酸咪唑型內(nèi)鹽，所述聚磺酸咪唑型內(nèi)鹽的結(jié)構(gòu)式如下所示：

其中，8000≤n≤25000。