[發明專利]一種高質子傳導率的酸性水凝膠膜及其燃料電池應用

在審

• 申請號: 202110360039.4
• 申請日: 2021-04-02
• 公開（公告）號: CN115181210A
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 伍勇
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: C08F220/56
• 分類號: C08F220/56;C08F212/36;C08F2/48;C08J3/075;C08J5/18;H01M8/1004;H01M8/1018;H01M8/1069;H01M8/1072
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本發明提供了一種具有高質子傳導能力的酸性水凝膠膜制備方法以及其在燃料電池領域的應用，以提供一種新型柔性電解質的合成方法以及其實際應用的方案。酸性水凝膠膜的聚合母液由水溶性乙烯基單體、疏水性二乙烯基化合物交聯劑、光引發劑以及強酸溶液組成，其中所述水溶性乙烯基單體含有酰胺基、羧酸、羥基等官能團或其組合，疏水性二乙烯基化合物含有苯環或直鏈烷烴。母液能夠在紫外燈照射下迅速成膠，在模具中形成凝膠膜。該酸性水凝膠膜質子傳導率高、力學性能穩定、熱分解溫度高，應用于氫氧燃料電池能獲得較高功率密度。所述制備方法簡單，材料價格低廉，為其規模生產應用提供了可能。

技術領域

本發明涉及一種適用于氫氧燃料電池，具有高質子傳導率，由酸性水溶液原位聚合制備的柔性凝膠膜材料。

背景技術

清潔能源對社會可持續發展具有重要意義，氫能作為一種清潔的二次能源收受到了廣泛關注。氫氧燃料電池通過電化學反應將氫的化學能直接轉化為電能，能量效率高且無二次污染，在移動能源具有廣闊的應用前景，可為航空、汽車、游艇、便攜式電子設備等提供電力來源。

質子交換膜燃料電池是一種利用氫能的典型電化學裝置，其主要結構包括端板、雙極板和膜電極等部件。膜電極是燃料電池的核心部件，主要由氣體擴散層、催化劑和質子交換膜構成。質子交換膜是燃料電池的關鍵部件，直接影響到電池的性能和使用壽命。目前商業化的質子傳導膜主要是含水的全氟磺酸膜，其具有力學性能好、穩定性強、傳導率高等優點，表現出良好的電池適應性。但全氟磺酸膜制備的磺化與氟化工藝非常復雜，生產成本高且環境友好性差。

水凝膠是一種由網絡支撐骨架和連續水相構成的復合材料，可以通過物理、化學交聯方法簡單獲得，通過向水中加入溶質或電活性物質可用做電解質。目前酸性水凝膠在電化學領域主要用于超級電容器，主要通過聚乙烯醇共混和丙烯酰胺熱聚合制備。由聚乙烯醇與酸性水溶液共混制備的水凝膠存在力學性能差和容易降解等問題，不適合制作氫氧燃料電池的質子傳導膜。由丙烯酰胺單體和N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺交聯劑在酸性水溶液中原位熱聚合制備的水凝膠熱穩定性差，不具備電解質器件化應用的條件。

現有的全氟磺酸膜存在生產工藝復雜、成本高等問題，而現有酸性水凝膠存在力學性能與穩定性不足的問題，開發一種低成本的穩定質子交換凝膠膜對于氫氧燃料電池的開發應用具有重要意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高質子傳導率的酸性水凝膠膜組成、制備方法及其燃料電池應用，具備配方簡單、工藝簡便、力學與熱穩定性好等特點，旨在克服現有技術的不足。

本發明所述的酸性水凝膠膜配方包含酸性水溶液、水溶性乙烯基單體（質量分數15~30%）、疏水性交聯劑（質量分數0.5~2%）和光引發劑（質量分數0.05~0.1%）。

本發明的酸性水凝膠膜制作方法是這樣實現的：

（1）將一定量的水溶性乙烯基單體、疏水性交聯劑溶于配置好的強酸水溶液中，持續攪拌24小時，使其分散均勻。

（2）再將一定量的引發劑溶于上述配置好的聚合液前體中，充分攪拌2小時得到聚合母液。

（3）將上述聚合母液注入膜狀模具中，于紫外燈下照射一定時長，經脫模后即可得到具有質子傳導能力的酸性水凝膠膜。

本發明的酸性水凝膠膜的燃料電池應用這樣實現的：

將制備好的酸性水凝膠膜夾持在兩片涂附鉑碳催化劑（鉑負載量0.5 mg cm^?2）的氣體擴散電極之間獲得膜電極組件，再將膜電極裝入兩個石墨極板間組裝成燃料電池。

本發明具有以下有益效果：

本發明的酸性凝膠膜制作方法簡單，成本低廉，成型能力好，力學性能適宜，在氫氧燃料電池中具有良好性能。