[發明專利]纖維增強高溫質子交換膜及其制備方法、電化學設備

在審

• 申請號: 202011285725.1
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112820919A
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 肖麗香;陳春華;陳世明;陳爽;趙國慶;楊旗;王珉
• 申請（專利權）人: 坤艾新材料科技（上海）有限公司
• 主分類號: H01M8/1018
• 分類號: H01M8/1018;H01M8/1016;H01M8/1067;H01M8/1069
• 代理公司: 北京律和信知識產權代理事務所(普通合伙) 11446
• 代理人: 劉興;何春暉

本申請涉及一種用于電化學設備的纖維增強高溫質子交換膜，其特征在于，包括：酸性電解質；聚唑聚合物，占所述高溫質子交換膜總重量的10％以上；以及增強纖維。該膜具有良好的化學性能和機械完整性，同時，也有較低的制作成本。

技術領域

本申請涉及燃料電池領域，具體涉及纖維增強高溫質子交換膜及其制備方法、燃料電池。

背景技術

近年來，對非化石燃料清潔電力的需求急劇增加。燃料電池是一種可以把燃料化學能直接轉成電能的化學裝置，又稱電化學發電器。燃料電池用燃料和氧氣作為原料，沒有機械傳動部件，故沒有造成污染，排出有害氣體極少。由此可見，從節約能源和保護生態環境的角度來看，燃料電池是最有發展前途的發電技術。

這一需求集中在許多技術上，如質子交換膜燃料電池。目前，質子交換膜燃料電池一般分為低溫質子交換膜燃料電池(工作溫度在60℃-80℃)和高溫質子交換膜(工作溫度120℃-160℃)兩大類。

低溫質子交換膜燃料電池一般使用含有共價鍵合硫酸基的含氟聚合物以及水作為電解液。目前，低溫質子交換膜主要有采用杜邦公司的Nafion膜和陶氏化學公司的Aciplex-S膜的商用膜。由于水的損失，導致質子導電性的損失，低溫質子交換膜燃料電池的工作溫度被限制在了80℃左右。

高溫質子交換膜以及相應的燃料電池與低溫質子交換膜燃料電池相比，這一范圍具有幾個主要優點。

首先，高溫工作環境下，質子交換膜電池組電極上的貴金屬催化劑的活性增加。由于貴金屬催化劑在較高溫度下具有更加有效地抵抗一氧化碳“中毒”的特性，因而可以有效地簡化和降低燃料電池在天然氣和其他烴類燃料上烴重組以及凈化的成本。

其次，在更高的溫度下使用質子交換膜燃料電池電極還可以減少貴金屬在催化劑層中的負載。

另外，高溫質子交換膜燃料電池的另一個優點是，可以提供更高質量的熱量。例如，在140℃的溫度下加熱，遠比僅僅在80℃下捕獲的熱量更加有用和有效，而基于含氟聚合物水膜的低溫燃料電池工作溫度僅為80℃。

此外，在更高的溫度下運行時，非常相似的系統通常更具有電效率。基于以上這些優點，高溫質子交換膜燃料電池系統顯然更具有成本效益。

在所述背景技術部分申請的上述信息僅用于加強對本申請的背景的理解，因此它可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現有技術的信息。

發明內容

本申請提供一種用于燃料電池的纖維增強高溫質子交換膜。該種質子交換膜具有良好的電化學性能或機械完整性。

根據本申請一個方面，提供一種用于電化學設備的纖維增強高溫質子交換膜，包括：酸性電解質；聚唑聚合物，占所述高溫質子交換膜總重量的10％以上；增強纖維。

根據本申請一些實施例，所述聚唑聚合物占所述高溫質子交換膜總重量大于15％。

根據本申請一些實施例，所述酸性電解質為多磷酸。

根據本申請一些實施例，所述聚唑聚合物包括：芳香族四氨基單體和二氨基羧酸單體聚合而成的聚合物、芳香族二羧酸單體聚合而成的聚合物、或芳香族三羧酸和四羧酸單體聚合而成的聚合物。優選地，聚唑聚合物由芳香族四氨基單體和芳香族二羧酸單體聚合而成的聚合物，可選地加入一定組分的交聯劑。

根據本申請一些實施例，所述纖維增強高溫質子交換膜中，以重量計，包括30％-55％的聚唑聚合物。

根據本申請一些實施例，所述高溫質子交換膜還包括交聯劑；所述交聯劑占所述膜重量的0.06％－29％，優選地，所述交聯劑占所述膜重量的0.09％－10％。

根據本申請一些實施例，所述增強纖維包括：碳纖維/原纖、二氧化硅纖維/原纖、氧化鋁纖維/原纖、氧化鋯纖維/原纖、硼纖維/原纖、碳化硅纖維/原纖、金屬氮化物纖維/原纖。