电解质膜、包含其的燃料电池和水电解装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种电解质膜、包含其的燃料电池和水电解装置及其制造方法。更具体而言，本发明专利技术涉及一种包含基于聚芴的离聚物的电解质膜，该离聚物具有仅由碳

【技术实现步骤摘要】
电解质膜、包含其的燃料电池和水电解装置及其制造方法


[0001]本专利技术涉及一种包含基于聚芴的离聚物(polyfluorene
‑
based ionomer)的电解质膜。更具体而言，本专利技术涉及一种含有基于聚芴的离聚物的电解质膜，该离聚物具有仅由碳
‑
碳键组成的芴主链和由全氟磺酸基团组成的侧链。含有基于聚芴的离聚物的电解质膜具有高质子传导率、优异的化学耐久性、优异的机械性能(mechanical property，力学性能)和优异的体积稳定性。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)包括负极、正极和设置于负极和正极之间的聚合物电解质膜，并且该构造被称为膜电极组件。
[0003]氢气作为燃料供给正极，以及氧气作为氧化剂供给负极。供给正极的氢气失去电子，变成质子(H
+
)，以通过聚合物电解质膜迁移到负极。在这种情况下，由氢气产生的电子在电池的外部电路中作电功，并迁移到负极。在负极中，质子与氧气和电子结合而生成水。
[0004]此处，聚合物电解质膜是阳离子交换膜，并且只选择性地转移质子。聚合物电解质膜应该具有以下特性：1)高离子传导率，2)优异的物理化学稳定性，3)易于放大，4)生产成本低。
[0005]目前，是一种典型的全氟电解质膜，并且Gore是来自WL Gore&Associates,Inc.的全氟多孔填充结构膜，二者都具有高离子传导率和高化学稳定性的优点。然而，这些膜存在以下问题：1)由于氧自由基导致的分解；2)焚烧过程中由于氢氟酸和污染物导致的环境污染；和3)由于复杂的制造工艺过程导致的高成本。因此，很难将上述膜应用于环保、高效、低成本的能量转换和储存系统。
[0006]作为上述膜的替代品，各种文献报告了基于烃的离聚物的开发及其在各个应用领域的适用性。然而，由于聚合物主链中存在具有低结合能的杂原子，通过缩聚反应开发的现有烃阳离子交换膜(HC
‑
CEM)具有低的化学稳定性。此外，由于相分离效应低，无法有效形成离子传输通道，由此离子传导率低。除以上描述外，还存在物理稳定性差的问题。
[0007]需要能够解决基于全氟和基于烃的离聚物的上述问题并满足聚合物电解质膜所需特性的材料。为此，在材料开发阶段，在主链聚合物中不存在化学不稳定键并且在聚合物结构中负责离子传输和物理化学稳定性的部分中能够明显形成精细相分离结构的聚合物结构是合乎需要的。此外，使用廉价单体相对容易地合成上述聚合物的方法也是合乎需要的。

技术实现思路

[0008]本专利技术旨在解决与现有技术相关的上述问题。
[0009]在一个方面中，本专利技术提供了一种具有高离子传导率和优异的化学耐久性的电解质膜。
[0010]在另一方面中，本专利技术提供了一种有利于大规模生产的电解质膜的制造方法。
[0011]本专利技术的目的不限于上述目的，并且本专利技术的其他未提及的目的能够通过以下描述理解，并且通过本专利技术的实施方式也将是显而易见的。
[0012]电解质膜包含式1a或式1b表示的离聚物。
[0013][式1a][0014][0015][式1b][0016][0017]在式1a和式1b的每个中，R1包括氢或具有碳数范围为1
‑
3的烷基基团；R2包括氢或具有碳数范围为1
‑
3的烷基基团；R3包括氢、具有碳数范围为1
‑
3的未取代烷基基团和具有碳数范围为1
‑
3的卤族元素取代的烷基基团中的至少一种；R4包括具有碳数范围为1
‑
7的亚烷基基团；R5包括具有碳数范围为3
‑
7的未取代亚烷基基团、具有碳数范围为3
‑
7的卤族元素取代的亚烷基基团和其中一部分未取代或取代亚烷基基团的碳被氧取代的醚基团中的至少一种；并且n为10
‑
2,000范围内的整数。
[0018]该离聚物可以以下式2表示。
[0019][式2][0020][0021]在式2中，n可以是10
‑
2,000范围内的整数。
[0022]该电解质膜可以应用于燃料电池和/或水电解装置。
[0023]根据本专利技术的电解质膜的制造方法包括通过在酸催化剂存在下使基于芴的单体与含有卤族元素的具有碳数范围为2
‑
10的烃反应制备式3的第一前体：
[0024][式3][0025][0026](在式3中，R1包括氢或具有碳数范围为1
‑
3的烷基基团；R2包括氢或具有碳数范围为1
‑
3的烷基基团；R3包括氢、具有碳数范围为1
‑
3的未取代烷基基团和具有碳数范围为1
‑
3的卤族元素取代的烷基基团中的至少一种；R4包括具有碳数范围为1
‑
7的亚烷基基团；X1包括卤族元素；并且n为10
‑
2,000范围内的整数)；
[0027]通过使该第一前体与酚类化合物(phenolic compound)反应制备式4表示的第二前体：
[0028][式4][0029][0030](在式4中，R1、R2、R3和R4与式3中相同，X2包括卤族元素，并且n为10
‑
2,000范围内的整数)；
[0031]通过使第二前体与基于磺酸的化合物反应制备式1a表示的离聚物；制备含有离聚物和溶剂的聚合物溶液；和将聚合物溶液施用于基底上以制造电解质膜。
[0032]该酸催化剂可以包括选自由氯化铝、三氟甲磺酸(TFSA)、盐酸、氢氟酸、对甲基苯甲酸(paratoluene acid)及其组合组成的组中的至少一种。
[0033]可以通过在5
‑
25℃范围内的温度下反应1小时
‑
2小时制备第一前体。
[0034]第一前体的重均分子量可以处于10,000g/mol
‑
1,000,000g/mol的范围内。
[0035]第二前体的重均分子量可以处于10,000g/mol
‑
1,500,000g/mol的范围内。
[0036]下文将会讨论本专利技术的其他方面和优选实施方式。
[0037]下文将会讨论本专利技术的上述和其他特征。
附图说明
[0038]本专利技术的上述和其他特征现在将参考附图中所示的本专利技术的某些示例性实施方式进行详细描述，下文这些附图仅作为示例给出，因此并非对本专利技术进行限制，其中：
[0039]图1是显示根据本专利技术的电解质膜的照片；
[0040]图2是显示根据本专利技术的电解质膜的化学耐久性的评估结果的曲线图；
[0041]图3是显示根据本专利技术的电解质膜的机械性能的评估结果的曲线图；
[0042]图4是显示根据本专利技术的电解质膜的体积稳定性的评估结果的图表；和
[0043]图5是显示根据本专利技术的电解质膜的离子传导率的评估本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电解质膜，包含式1a或式1b表示的离聚物：式1a式1b其中，在式1a和式1b的每个中，R1＝氢或具有碳数范围为1
‑
3的烷基基团；R2＝氢或具有碳数范围为1
‑
3的烷基基团；R3＝氢、具有碳数范围为1
‑
3的未取代烷基基团和具有碳数范围为1
‑
3的卤族元素取代的烷基基团中的至少一种；R4＝具有碳数范围为1
‑
7的亚烷基基团；R5＝具有碳数范围为3
‑
7的未取代亚烷基基团、具有碳数范围为3
‑
7的卤素取代的亚烷基基团和其中一部分所述未取代亚烷基基团或所述取代的亚烷基基团的碳被氧取代的醚基团中的至少一种；并且n为10
‑
2,000范围内的整数。2.根据权利要求1所述的电解质膜，其中所述离聚物由下式2表示：式2
其中，在式2中，n为10
‑
2,000范围内的整数。3.一种燃料电池，包含根据权利要求1所述的电解质膜。4.一种水电解装置，包括根据权利要求1所述的电解质膜。5.一种电解质膜的制造方法，包括：通过在酸催化剂存在下使基于芴的单体与含有卤族元素的具有碳数范围为2
‑
10的烃化合物反应制备第一前体；通过使所述第一前体与酚类化合物反应制备第二前体；通过使所述第二前体与基于磺酸的化合物反应制备式1a表示的离聚物：式1a其中，在式1a中，R1＝氢或具有碳数范围为1
‑
3的烷基基团；R2＝氢或具有碳数范围为1
‑
3的烷基基团；R3＝氢、具有碳数范围为1
‑
3的未取代烷基基团和具有碳数范围为1
‑
3的卤族元素取代的烷基基团中的至少一种；R4＝具有碳数范围为1
‑
7的亚烷基基团；R5＝具有碳数范围为3
‑
7的未取代亚烷基基团、具有碳数范围为3
‑
7的卤素取代的亚烷基基团和其中一部分所述未取代亚烷基基团或所述取代的亚烷基基...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡一锡，吴宗吉，洪普基，金机炫，权淳基，金美廷，高韩松，
申请(专利权)人：起亚株式会社庆尚国立大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：