离子交换隔膜，包括其的电化学电池、液流电池和燃料电池，以及其制造方法技术

本说明书涉及一种离子交换膜，包括该离子交换膜的电化学电池、液流电池和燃料电池，以及所述离子交换膜的制造方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】离子交换隔膜，包括其的电化学电池、液流电池和燃料电池，以及其制造方法
本申请要求于2016年3月31日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2016-0039731的优先权和权益，这项申请的全部内容通过引用并入本说明书中。本说明书涉及一种离子膜，包括该离子膜的电化学电池、液流电池和燃料电池，以及其制造方法。
技术介绍
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的能量转换装置。换言之，燃料电池采用利用燃料气体和氧化剂，并利用在它们的氧化还原反应过程中产生的电子来产生电力的发电方法。燃料电池的膜电极组件(MEA)是发生氢气和氧气的电化学反应的部件，由阴极、阳极和电解质膜，即离子交换电解质膜形成。氧化还原液流电池(氧化-还原液流电池)是一种通过电解液中包含的活性物质被氧化和还原而充电和放电的系统，并且是一种直接将活性物质的化学能存储为电能的电化学存储装置。氧化还原液流电池的单元电池包括电极、包含电极活性物质的电解液和离子交换电解质膜。由于它们的高能量效率和低污染物排放的环境友好性能，已经将燃料电池和氧化还原液流电池作为下一代能源来研究和开发。燃料电池和氧化还原液流电池中的核心组成是能够进行阳离子交换的聚合物电解质膜，并且优选需要如下性能：1)优异的质子传导性，2)防止电解质穿过，3)高耐化学性，4)增强机械性能和/或5)低溶胀比。
技术实现思路
技术问题本说明书旨在提供一种离子交换膜，包括该离子交换膜的电化学电池、液流电池和燃料电池，以及该离子交换膜的制造方法。技术方案本说明书的一个实施方案提供一种离子交换聚合物膜，具有设置有离子转移基团的离子通道，所述离子交换聚合物膜包含由一个、两个或更多个离子转移基团与由下面的化学式1表示的化合物和由下面的化学式2表示的化合物中的至少一种形成的键合结构。[化学式1][化学式2]Z1-Q-Z2在化学式1和化学式2中，R1和R2各自是氢、烷基或磺酸基，L是直接键、-O-、-S-、-NH-或-SO2-，Q是亚烷基，Z1和Z2各自是-NH2或磺酸基，a1和a3各自是1或2，a2和a4各自是0至4的整数，1≤a1+a2≤5，并且1≤a3+a4≤5。本说明书的另一实施方案提供一种包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的离子交换膜的电化学电池。本说明书的另一实施方案提供一种包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的离子交换膜的液流电池。本说明书的另一实施方案提供一种包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的离子交换膜的膜电极组件。本说明书的另一实施方案提供一种包括所述膜电极组件的燃料电池。本说明书的另一实施方案提供一种离子交换聚合物膜的制造方法，包括：制备具有设置有离子转移基团的离子通道的离子交换聚合物膜；以及使用包含由下面的化学式1表示的化合物和由下面的化学式2表示的化合物中的至少一种的组合物，由离子交换聚合物膜的一个、两个或更多个离子转移基团与由下面的化学式1表示的化合物和由下面的化学式2表示的化合物中的至少一种形成键合结构。[化学式1][化学式2]Z1-Q-Z2在化学式1和化学式2中，R1和R2各自是氢、烷基或磺酸基，L是直接键、-O-、-S-、-NH-或-SO2-，Q是亚烷基，Z1和Z2各自是-NH2或磺酸基，a1和a3各自是1或2，a2和a4各自是0至4的整数，1≤a1+a2≤5，并且1≤a3+a4≤5。有益效果可以控制根据本说明书的离子交换膜以便选择和迁移特定离子。根据本说明书的离子交换膜具有低穿过(crossover)的优点。附图说明图1是示出燃料电池的发电原理的示意图；图2是示意性地示出用于燃料电池的膜电极组件的结构的图；图3是示意性地示出燃料电池的一个实例的图；图4是示出液流电池的常规结构的横截面图；图5是本说明书的一个实施方案的概念图；图6是实验例1的紫外吸收光谱；图7是测量实验例2的X射线光电子能谱(XPS)的图；图8是实验例4的透射模式小角X射线散射(SAXS)的图；图9是示出实验例5的充电和放电(500次)结果的图；图10是示出实验例6的测量OCV的结果的图。<参考符号>10：电解质膜20、21：催化剂层40、41：气体扩散层50：阴极51：阳极60：堆70：氧化剂供应单元80：燃料供应单元81：燃料罐82：泵100：壳体200：隔膜400：阳极500：阴极410：阳极入口510：阴极入口420：阳极出口520：阴极出口具体实施方式下文中，将详细地描述本说明书。离子交换膜是形成燃料电池、液流电池等的核心要件之一，并且离子交换膜在将阳极和阴极分开的同时，需要选择性地通过离子。在大多数情况下，质子需要顺利迁移，并且在钒液流电池中，降低电极活性物质钒离子的穿过，同时迁移质子充当获得优异性能的重要因素。通过连接由隔膜的离子交换基团的官能团的聚集而形成的离子簇来形成离子通道或水通道。离子通道之间的间距或离子通道的尺寸，即，离子聚集体(离子簇)根据在隔膜中包含的水或电解液的量变化。在全氟磺酸(Nafion)隔膜中，当通过X射线小角散射试验测量时，由于隔膜中包含的水的含量提高至10重量％至35重量％(@相对湿度100％)，因此离子通道的尺寸提高至3.1nm至4.6nm。此外，在烃类聚合物中，已知离子通道形成为小于Nafion的离子通道的3nm至4nm的尺寸。上述离子交换树脂的离子通道尺寸(3nm至4.6nm)大，以选择性地使氢离子通过。在相对湿度(RH)100％下或在电解液中完全湿润的状态下，离子交换聚合物膜的离子官能团聚集体(离子簇)的尺寸，即，离子交换聚合物膜的离子通道的尺寸可以小于5nm。在相对湿度(RH)100％或在电解液中完全湿润的状态下离子交换聚合物膜的离子官能团聚集体(离子簇)的尺寸，即，离子交换聚合物膜中的离子通道的尺寸可以小于4nm。同时，本公开涉及一种如图5所示经历如下化学处理以提高氢离子的选择渗透率的隔膜：通过共价键连接离子交换树脂的离子转移基团和具有两个或更多个官能团的单体。由于单体与离子转移基团之间形成的共价键，可以根据单体尺寸控制离子通道尺寸。单体的官能团可以改变离子交换聚合物膜的电化学性能。在阳离子交换聚合物膜中，离子交换聚合物膜中的离子转移基团可以由-(A)-(H)+表示，例如，可以是-SO3-X。此处，X是一价阳离子。当离子交换聚合物膜中的离子转移基团是-(SO3H)时，可以通过离子交换聚合物膜的-(SO3H)和具有胺基(-NH2)作为官能团的单体之间的化学反应将磺酰胺键合结构(-SO2-NH-)引入到离子交换聚合物膜中。在阴离子交换聚合物膜中，离子交换聚合物膜中的离子转移基团可以由-(B)+(OH)-表示，例如，可以是-NO3+OH-。当离子交换聚合物膜中的离子转移基团是-NO3+OH-时，可以通过离子交换聚合物膜的-NO3+OH-和具有磺酸基-(SO3H)作为官能团的单体之间的化学反应将磺酰胺键合结构(-SO2-NH-)引入到离子交换聚合物膜中。本说明书提供一种离子交换聚合物膜，具有设置有离子转移基团的离子通道，所述离子交换聚合物膜包含由一个、两个或更多个离子转移基团与由下面的化学式1表示的化合物和由下面的化学式2表示的化合物中的至少一种形成的键合结构。[化学式1][化学式2]Z1-Q-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离子交换聚合物膜，具有设置有离子转移基团的离子通道，所述离子交换聚合物膜包含：由一个、两个或更多个离子转移基团与由下面的化学式1表示的化合物和由下面的化学式2表示的化合物中的至少一种形成的键合结构：[化学式1]

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.31 KR 10-2016-00397311.一种离子交换聚合物膜，具有设置有离子转移基团的离子通道，所述离子交换聚合物膜包含：由一个、两个或更多个离子转移基团与由下面的化学式1表示的化合物和由下面的化学式2表示的化合物中的至少一种形成的键合结构：[化学式1][化学式2]Z1-Q-Z2其中，在化学式1和化学式2中，R1和R2各自是氢、烷基或磺酸基；L是直接键、-O-、-S-、-NH-或-SO2-；Q是亚烷基；Z1和Z2各自是-NH2或磺酸基；a1和a3各自是1或2；a2和a4各自是0至4的整数；1≤a1+a2≤5，并且1≤a3+a4≤5。2.根据权利要求1所述的离子交换聚合物膜，其中，所述离子转移基团包括-NH3+OH-和-SO3-X中的任意一种，并且X是一价阳离子。3.根据权利要求2所述的离子交换聚合物膜，其中，当所述由化学式1表示的化合物与一个、两个或更多个为-SO3-X的离子转移基团形成键合结构时，该键合结构包括由下面的化学式3至化学式7表示的键合结构中的至少一种，并且X是一价阳离子：[化学式3][化学式4][化学式5][化学式6][化学式7]在化学式3至化学式7中，R3至R6各自是氢、烷基或磺酸基；L1和L2各自是直接键、-O-、-S-、-NH-或-SO2-；b1和b3各自是0或1；b2和b4各自是0至4的整数；0≤b1+b2≤4，并且0≤b3+b4≤4；c1和c2各自是0至3的整数；c3是1或2，c4是0至4的整数，并且1≤c3+c4≤5；c5是0或1，c6是0至4的整数，并且0≤c5+c6≤4；表示键合位置。4.根据权利要求2所述的离子交换聚合物膜，其中，当所述由化学式1表示的化合物与一个、两个或更多个为-NH3+OH-的离子转移基团形成键合结构时，该键合结构包括由下面的化学式8至化学式12表示的键合结构中的至少一种：[化学式8][化学式9][化学式10][化学式11][化学式12]在化学式8至化学式12中，R3至R6各自是氢、烷基或磺酸基；L1和L2各自是直接键、-O-、-S-、-NH-或-SO2-；d1、d3和d5各自是1或2；d2和d4各自是0至3的整数；d6是0至4的整数；1≤d1+d2≤4，1≤d3+d4≤4，并且1≤d5+d6≤5；e1、e3、e5和d7各自是1或2；e2和e4各自是0至2的整数；e6是0至4的整数；e8是0至3的整数；1≤e1+e2≤3，1≤e3+e4≤3，1≤e5+e6≤5，并且1≤e7+e8≤4。5.根据权利要求2所述的离子交换聚合物膜，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：文植园，鲁台根，金成妍，边修真，郑奉铉，闵根基，李政倍，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：韩国,KR