质子交换膜燃料电池用酸碱共混膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种质子交换膜燃料电池用酸碱共混膜，由85

【技术实现步骤摘要】
质子交换膜燃料电池用酸碱共混膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于膜材料制备
，涉及一种酸碱共混膜，特别是涉及一种用于质子交换膜燃料电池的酸碱共混膜，以及该酸碱共混膜的制备方法。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种电化学能量转换设备，可以将反应物的化学能直接转化为电能。随着全球环境和能源问题变得越来越严重，新的能源亟待开发。而燃料电池由于其的低排放或零排放，已被证明具有高效地转换传统化石燃料能源为电能的能力。
[0003]根据燃料电池的工作温度、电池组件和所用电解质的类型，可将其分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性电解质燃料电池（AMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）等。其中，PEMFC以氢气和氧气为燃料，因其具有环保、原料易得且能量效率高等优点，已被广泛应用于航天航空、新能源汽车、小型电子设备等领域。
[0004]质子交换膜是PEMFC的核心组件，在燃料电池中起到了传导质子和防止气体渗透的作用。
[0005]全氟磺酸膜Nafion是目前使用较多的质子交换膜，其机械性能、化学稳定性好，且低温时质子传导率高，电流密度大。但是这种膜在高温状态下容易降解，导致其的质子传导性及阻止气体渗透性能下降，而且其的成本很高，这就限制了Nafion膜在燃料电池领域的大规模应用。因此开发低成本、高性能的质子交换膜，是PEMFC领域亟需解决的任务。
[0006]CN 112216854A公开了一种燃料电池用酸碱共混膜及其制备方法，其以降冰片烯二酸酐和己二胺制备聚合物单体，再与降冰片烯发生开环易位聚合反应得到无规聚合的碱性有机聚合物，与Nafion树脂混合获得了在高温下也具有较高离子传导率的酸碱共混膜，并通过以一部分碱性有机聚合物代替Nafion树脂降低了膜成本。但是，该酸碱共混膜中碱性有机聚合物的使用量最多只能达到10wt%，不仅过多的磺酸基团会导致膜材料的尺寸稳定性下降，而且其膜成本的降低程度也有限。
[0007]因此，探寻在上述碱性有机聚合物中引入一种新的酸性有机聚合物，是一种制备低成本、高性能酸碱共混膜的有效方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种质子交换膜燃料电池用酸碱共混膜及其制备方法，通过在碱性有机聚合物中引入酸性有机聚合物，提升质子交换膜在低离子交换容量下的较好的质子电导率，并保证了一定的电池性能。
[0009]本专利技术所述的质子交换膜燃料电池用酸碱共混膜是由85
‑
95wt%碱性有机聚合物PNBN和5
‑
15wt%酸性有机聚合物SPI共混制备而成。
[0010]其中，所述的碱性有机聚合物PNBN是具有以下式（Ⅰ）所示结构的无规聚合物，数均分子量为160000
‑
180000。
[0011]所述碱性有机聚合物PNBN中，两种重复单元的摩尔比p∶q = 1∶(1.5
‑
2)。
[0012]所述酸性有机聚合物SPI是具有以下式（Ⅱ）所示结构的无规聚合物，数均分子量为100000
‑
150000。
[0013]所述酸性有机聚合物SPI中，两种重复单元的摩尔比m∶n = 1∶(0.5
‑
1.5)。
[0014]具体地，本专利技术所述的质子交换膜燃料电池用酸碱共混膜具有下述结构式（III）表示的结构。
[0015]进一步地，本专利技术还提供了一种用于制备所述质子交换膜燃料电池用酸碱共混膜的方法，是将所述式（Ⅰ）所示结构的碱性有机聚合物PNBN溶于二氯甲烷中得到碱性有机聚合物溶液，将所述式（Ⅱ）所示结构的酸性有机聚合物SPI溶于N,N
‑
二甲基甲酰胺中得到酸性有机聚合物溶液，再将两种溶液混合得到混合溶液，使用所述混合溶液浇铸成膜，干燥后形成酸碱共混膜。
[0016]需要说明的是，本专利技术上述提供的是一种制备所述酸碱共混膜的典型方法，但并非是唯一的方法。
[0017]更具体地，本专利技术是将上述碱性有机聚合物溶液和酸性有机聚合物溶液混合后，室温下搅拌2
‑
3h，再超声处理10
‑
30min，最后静置10
‑
30min得到混合溶液。
[0018]本专利技术制备所述酸碱共混膜的干燥过程优选是在30
‑
40℃真空干燥2
‑
3h，再升温至80
‑
100℃真空干燥12
‑
15h。
[0019]本专利技术上述制备的质子交换膜燃料电池用酸碱共混膜为棕色薄膜，不溶于水，物理化学性质稳定，能够满足质子交换膜燃料电池对于质子交换膜的要求，可以作为燃料电池的质子交换膜使用。
[0020]本专利技术用于制备所述质子交换膜燃料电池用酸碱共混膜的原料中，所述的碱性有机聚合物PNBN可以按照CN 112216854A中提供的方法，以降冰片烯二酸酐和1,6
‑
己二胺为
原料制备得到聚合物单体，再以所述聚合物单体与降冰片烯在Grubbs 3rd催化剂的催化作用下进行开环易位聚合，制备得到以降冰片烯结构为主体的高分子聚合物。
[0021]其中，所述碱性有机聚合物的开环易位聚合反应需要在惰性氛围和干燥的二氯甲烷溶液中进行。
[0022]本专利技术用于制备所述质子交换膜燃料电池用酸碱共混膜的原料中，所述的酸性有机聚合物SPI可以按照CN 114437347A中提供的方法，分别以4,4
’‑
二氨基
‑
2,2
’‑
二磺酸基联苯和4,4
’‑
二氨基二苯醚与1,2,4,5
‑
环己烷四羧酸二酐反应得到预聚溶液，再以两种预聚溶液混合进行聚合反应制备得到无规的聚合物。
[0023]本专利技术制备的酸碱共混膜材料以降冰片烯基的碱性有机聚合物为基体，与磺化聚酰亚胺基的酸性有机聚合物进行共混，制备方法简单，与商业化的Nafion膜相比，很大程度上降低了膜材料的生产成本，从而相应地降低了质子交换膜燃料电池的成本，具有明显的优势。
[0024]进而，与单一的碱性有机聚合物膜相比，酸碱共混膜具有较高的离子交换容量，引入的酸性有机聚合物中含有磺酸基酸性官能团，可以作为质子传输位点，承担传导质子的任务。
[0025]与单一的碱性有机聚合物膜相比，酸碱共混膜还具有较好的机械性能，引入的酸性有机聚合物既有刚性的主链，又含有磺酸基团可以与碱性有机聚合物中的碱性基团之间相互作用形成氢键网络，这两种因素的同时作用，提升了膜材料的机械稳定性能。
[0026]与单一的碱性有机聚合物膜相比，酸碱共混膜具有较高的离子电导率，而且其受到温度的影响较为明显。
[0027]采用CCM方法，以本专利技术制备的酸碱共混膜制备出膜电极，用于质子交换膜燃料电池中进行测试，结果得到了较高的开路电压和优异的功率密度，表明酸碱共混膜具有较好的阻隔气体渗透能力和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池用酸碱共混膜，是由85
‑
95wt%碱性有机聚合物PNBN和5
‑
15wt%酸性有机聚合物SPI共混制备而成，其中，所述碱性有机聚合物PNBN是具有以下式（Ⅰ）所示结构的无规聚合物，数均分子量为160000
‑
180000：所述碱性有机聚合物PNBN中，两种重复单元的摩尔比p∶q = 1∶(1.5
‑
2)；所述酸性有机聚合物SPI是具有以下式（Ⅱ）所示结构的无规聚合物，数均分子量为100000
‑
150000：所述酸性有机聚合物SPI中，两种重复单元的摩尔比m∶n = 1∶(0.5
‑
1.5)。2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用酸碱共混膜，具有下述结构式（III）表示的结构：。3.权利要求1所述质子交换膜燃料电池用酸碱共混膜的制备方法，是将所述式（Ⅰ）所示结构的碱...

【专利技术属性】
技术研发人员：王超，申如星，杨洁，刘鑫，郭艳艳，童隆志，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：