高阻醇聚合物电解质膜及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高阻醇聚合物电解质膜及其制备方法。本发明的聚合物电解质膜是由质子传导聚合物和阻醇聚合物复合而成的聚合物电解质膜。本发明的聚合物电解质膜，结构可控、分布均匀，在保持高导电性的同时大大提高了膜的阻醇性能以及机械强度和尺寸的稳定性。除了能应用于直接甲醇燃料电池外，在氢燃料电池，全钒液流电池，工业水处理也有良好的应用前景。
【专利说明】高阻醇聚合物电解质膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及聚合物电解质膜【技术领域】，尤其涉及一种高阻醇高电导性能聚合物电解质膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]能源是发展国民经济和提高人民生活水平的重要物质基础，也是直接影响经济发展的一个重要制约因素。直接甲醇燃料电池(DMFC)以甲醇直接作燃料，具有系统结构简单，燃料补充方便等优点，是一种干净清洁的能源，在用作便携式能源方面具有很大的潜力，因此得到广泛的关注。
[0003]燃料电池由电极与聚合物质子导电膜构成，对于直接甲醇燃料电池而言，甲醇在阳极被氧化，产生二氧化碳、质子和电子，质子通过质子交换膜到阴极，与阴极发的氧发生反应生成水，从而产生电流。
[0004]质子交换膜是直接甲醇燃料电池的核心组成，它与一般化学电源中使用的隔膜有很大的不同。首先，它不只是一种隔膜材料，它还是电解质和电极活化物质的基底；另外，质子交换膜还是一种选择透过性膜，而通常的隔膜则属于多孔隔膜。
[0005]用作质子交换膜的材料，应当具有以下条件:
[0006]I)优良的质子导电性以降低电池的内阻并提高电流密度；
[0007]2)甲醇渗透不仅降低燃料的利用率，渗透过来的甲醇在阴极放电，引发混合点位，降低阴极催化剂效率，因此膜的阻醇性能要好；
[0008]3)膜的膨胀和收缩要尽可能小，有一定的机械强度，并与催化剂有较好的结合能力；
[0009]4)良好的化学稳定性，如耐酸碱性，耐氧化性等，以保证电池的工作寿命。
[0010]质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心组件，起着隔离燃料和氧化剂，防止他们直接发生反应，允许质子自由迁移，但对电子绝缘，是一种选择透过的高分子膜，优良的质子交换膜必须具有较好的的质子输送能力和对甲醇的阻隔性能。已商业化的质子交换膜主要是全氟磺酸型质子交换膜，主要包括以下几种类型:
[0011](I)美国 Dupont 公司生产的 Nafion 系列膜，包括 Nafionll7, Nafionll5,Nafionll2, Nafionll35, Nafionl05 等；
[0012](2)美国Dow化学公司研制的XUS — B204膜；
[0013](3)旭化成的Aciplex系列膜；
[0014](4)日本Asahi公司开发的Flemion膜；
[0015](5)日本氯工程公司的C膜；
[0016](6)加拿大巴拿得公司研制的BAM型膜，其目标价格为110?150加元/ m2。
[0017]以上商用的几种质子交换膜的化学结构如下:
[0018]
【权利要求】
1.一种聚合物电解质膜，其特征在于，所述聚合物电解质膜具有以下一个或多个特征: (i)质子电导率为40-80mS/cm；
(ii)甲醇渗透系数为3.0X 10_7cm2/s-7.0X 10_7cm2/s。
2.如权利要求1所述的聚合物电解质膜，其特征在于，所述聚合物电解质膜还具有以下一个或多个特征: (iii)拉伸强度大于90MPa(较佳地为90_200MPa)； (iv)吸水率在5%-30%之间，溶胀率为0-5%； (V)在200°C以下不会分解。
3.一种聚合物电解质膜，其特征在于，所述聚合物电解质膜是由质子传导聚合物和阻醇聚合物复合而成的聚合物电解质膜。
4.如权利要求3所述的聚合物电解质膜，其特征在于，所述聚合物电解质膜是: (i)由所述质子传导聚合物的膜复合在所述阻醇聚合物的膜或网上形成； (?)由所述质子传导聚合物和所述阻醇聚合物通过化学交联形成； (iii)由所述质子传导聚合物和所述阻醇聚合物通过共混形成； (iv)由所述质子传导聚合物和所述阻醇聚合物通过化学交联形成膜复合在所述阻醇聚合物的膜或网上形成；或 (v)由所述质子传导聚合物和所述阻醇聚合物通过共混形成膜复合在所述阻醇聚合物的膜或网上形成。
5.如权利要求3所述的聚合物电解质膜，其特征在于，所述质子传导聚合物为氟烷基磺酸树脂、全氟磺酸树脂、磺化聚苯乙烯。
6.如权利要求3所述的聚合物电解质膜，其特征在于，所述阻醇聚合物为聚偏氟乙烯、涤纶、聚4-乙烯基吡啶中的一种或多种。
7.如权利要求3所述的聚合物电解质膜，其特征在于，所述的质子传导聚合物与所述阻醇聚合物的质量比为20:1~0.1:1。
8.如权利要求1-3任一项所述的聚合物电解质膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: (al)提供所述质子传导聚合物溶液； (bl)将所述质子传导聚合物溶液浇铸或涂覆在阻醇聚合物的膜或网上，干燥得到所述聚合物电解质膜；或 (b2)将所述阻醇聚合物的聚合体系与所述质子传导聚合物溶液混合，所述聚合体系包括单体、引发剂，任选地加入交联剂，所述单体在所述引发剂作用下聚合得到所述阻醇聚合物，同时与所述质子传导聚合物复合，经铸膜得到所述聚合物电解质膜；或 (b3)将阻醇聚合物溶液与所述质子传导聚合物溶液混合均匀，铸膜得到所述聚合物电解质膜，任选地，在阻醇聚合物的膜或网上铸膜。
9.如权利要求1-3任一项所述的聚合物电解质膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: (i)提供阻醇聚合物； (?)将所述阻醇聚合物置于质子传导聚合物的聚合体系中，所述聚合体系包括单体、引发剂，任选地加入交联剂，所述单体在所述引发剂作用下聚合得到所述质子传导聚合物，同时与所述阻醇传导聚合物复合，经铸膜得到所述聚合物电解质膜；以及任选地， (iii)对所述质子传导聚合物进行改性提高质子传导性能的步骤。 在另一优选例中，所述阻醇聚合物为膜或网形式。
10.一种聚合物，其特征在于，具有式I所示结构:
【文档编号】C08G75/23GK103996865SQ201310053621
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2013年2月19日 优先权日:2013年2月19日
【发明者】胡金波, 张丽君, 高燕, 许国峰, 郑吉
申请人:中国科学院上海有机化学研究所