[发明专利]一种互穿网络结构离子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)及全钒液流电池(VRB)用离子交换膜，特别涉及一种互穿网络离子交换膜及其制备方法，属于高分子功能膜材料领域。

背景技术

全钒液流电池是一种新型蓄电储能设备，不仅可以用作太阳能、风能发电过程配套的储能装置，还可以用于电网调峰，提高电网稳定性，保障电网安全。现有的储能技术中，由于全钒液流电池(VRB)具有循环寿命长、能量效率高、运行及维护费用低廉、环境友好、响应时间短及深度放电而对电池不造成危害等优点，使其能满足多种领域的需求：它既可以支持太阳能、风能等随机性很强的可再生能源发电，又可以作为不间断电源(UPS)预防电力供应中断事件，还可以用于电网削峰填谷、平衡负荷、提高电能质量及电站运行稳定性。全钒液流电池在大型电力公司供电、边远地区及中型电力用户、普通居民用户用电储能等方面都具有良好的应用前景，其高效、节能的技术特点，对于我国新能源的开发具有长远的影响。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种清洁高效安静的电化学发电装置，全氟磺酸树脂质子交换膜燃料电池以其运行温度低，比功率大，对环境友好，燃料储运安全方便而在移动电器，汽车等行业有很好的应用前景。

作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)及全钒液流电池(VRB)的关键部件离子交换膜作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)及全钒液流电池(VRB)的关键材料之一，起到交换离子、分隔正负极活性物质(不同价态的钒离子)的双重功能。其性质对PEMFC及VRB的性能、寿命和成本产生重大影响。现行的全钒液流电池(VRB)中广泛使用的是全氟磺酸型离子交换膜，它具有质子交换率高、机械稳定性和抗氧化降解性好等优点，但是该类膜的全氟化生产过程复杂、过程参数控制严格、膜的生产成本过高，在很大程度上制约了全钒液流电池(VRB)的工业化和商业化。与全氟磺酸型离子交换膜相比，烃类磺酸型离子交换膜具有制备工艺简单、原料价廉易得、生产成本远低于全氟磺酸型离子交换膜等优点，但其却存在着化学稳定性差、抗氧化降解能力弱等缺点，当其应用于全钒液流电池(VRB)的隔膜时，容易被正极电解质溶液中的强氧化性V⁵⁺所氧化降解，导致全钒液流电池(VRB)的电池性能下降，电池的使用寿命缩短。因此，研制开发价格低廉、性能优异、抗氧化性好的离子交换膜是促进全钒液流电池(VRB)发展的关键之一，新型质子交换膜的制备已经引起全世界科研人员的关注。

目前使用的离子膜存在着寿命短、后期机械强度差、电导率偏低等问题。为了克服这些困难，各国研究者进行了大量的工作。于景荣(phys.Chem.Chem.Phys.，2003，5(3)：611-615)等采用热压的方法，制备了PSSA-Nafion复合膜，并用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)上；Bo Yang等(Electrochemistry Communications 2004，(6)：231-236)采用热压法制备了Nafion/SPEEK/Nafion复合膜，并用于直接甲醇燃料电池(DMFC)中；任素珍(J.Membr.Sci.，2005，(247)：59-63)等采用多次浸泡/干燥的方法，制备了SPEEK/Nafion复合膜，并应用于直接甲醇燃料电池(DMFC)。以上制备的氟/烃复合离子交换膜，由于两层膜之间没有化学键交联，其结合性较差，在应用过程中容易发生分层现象，从而导致氟/烃复合离子交换膜的电阻增大。中国专利文件CN101383404提出了一种适用于全钒液流电池(VRB)的，全氟磺酸型离子交换膜与烃类磺酸型离子交换膜之间具有良好结合性的氟/烃复合离子交换膜及其制备方法。然而此种复合与交联也只在两层接触面上进行，难以保证整个复合膜的力学与机械性能的均一稳定性。文献(J Membr Sci，1995，98 C1-2)：77-87.)使用交联剂二乙烯基苯处理离子交换树脂Amberlite CG400和Amberlite CG120浸渍后的膜，改善对钒离子的阻挡效果。然而在增加交联度的同时可能会减小离子交换树脂的电导率。

尽管上述研究在一定程度上提高质子交换膜性能，但普遍存在两方面问题。1)膜材料复合过程难以控制，成本较高且磺化剂的使用容易引起环境污染；2)处理过程常常包括多个步骤，难于适用于大规模批量化生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)及全钒液流电池(VRB)用的互穿网络结构离子交换膜及其制备方法。

本发明的技术方案如下：