[发明专利]一种碱性阴离子交换膜的制备方法及其在燃料电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及聚合物电解质膜燃料电池中碱性阴离子交换 膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池作为一种将化学能转换为电能的特殊装置，由于具有能量转换效率高、 低污染、储能物质选择范围宽、低噪音等多种其他能量发生装置不可比拟的优越性，被认为 是最有希望的、环境友好的新型化学电源之一。其中，聚合物电解质膜燃料电池有效克服了 燃料泄露等问题、且因为具有快速启动和对负荷变化的快速响应等优点，受到越来越多的 关注，成为了最近的研究热点。

聚合物电解质膜燃料电池以聚合物电解质膜为固体电解质，起到分割阴阳两极及 传导质子（H⁺）或氢氧根离子（OH^-）的作用，是聚合物电解质燃料电池中的一个关键部件。聚 合物电解质膜的性能好坏对聚合物电解质膜燃料电池的发电性能起到了决定性的作用，因 而高性能聚合物电解质膜的研究与开发就显得尤为重要。

聚合物电解质膜燃料电池通常根据传导离子的不同，可分为使用质子交换膜的酸 性聚合物电解质膜燃料电池和使用碱性阴离子交换膜的碱性聚合物电解质膜燃料电池。目 前，商业化的质子交换膜如美国杜邦公司生产的Nafion膜，由于具有高导电率、优良的化 学、电化学及机械稳定性，是目前商业应用于燃料电池中最多的聚合物电解质膜。但是 Nafion膜制备工艺复杂、价格高昂、制备过程对环境造成危害、高温下不稳定等问题，限制 了质子交换膜燃料电池进一步的商业化使用。而另一方面，相对于质子交换膜燃料电池，碱 性阴离子交换膜燃料电池具有一系列优点：由于其碱性环境，燃料电池具有更快的反应动 力学、燃料渗透率低、可以使用非贵金属催化剂以及便于运输的甲醇或乙醇等有机燃料。正 是由于这些优点，碱性阴离子交换膜燃料电池成为吸引各国学者关注的燃料电池技术，碱 性阴离子交换膜自然成为了其中的研究焦点。

目前，有各种碱性阴离子交换膜的研究报道，其中以季铵盐基团和季磷盐基团为 活性基团的碱性阴离子膜的研究最多，尤以季铵盐基团的受到更多的关注。例如公布号为 CN104311857A的中国专利，由含有季铵基团的单体对聚合物主链进行亲核取代反应，得 到一种双季铵侧长链型的碱性阴离子交换膜；再如公布号为CN103804631A的中国专利， 公开了一种侧链季铵化的聚酮化合物的碱性阴离子交换膜及制备方法。但是碱性阴离子交 换膜中季铵型聚合物的制备通常要经过氯甲基化、季胺化再到碱化等多个复杂的步骤，或 者在聚合物基体上辐射接枝季铵基团等方法，存在制备工艺复杂、材料成本高等问题。碱性 阴离子交换膜燃料电池相比质子交换膜燃料电池，还存在离子传导率低的问题，这会直接 降低燃料电池的发电性能，而上述研究并未解决该问题。因此，研究一种具有良好的离子导 通性能及燃料发电性能、并且制备工艺简单的低成本碱性阴离子交换膜对聚合物电解质膜 燃料电池的发展有很好的意义。

发明内容

针对现有碱性离子交换膜的技术问题，本发明的目的在于提供了一种制备工艺简 单、低成本且具有良好的离子导通性能和燃料电池发电性能的碱性阴离子交换膜及其制备 方法。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种碱性阴离子交换膜的制备方法，包括如下步骤：

1）首先，将过渡金属无机盐添加到去离子水中，搅拌，得到过渡金属无机盐的水溶液；

2）将聚乙烯醇粉末溶于步骤1）制得的过渡金属无机盐水溶液中，加热并搅拌，获得第 一凝胶；

3）将AER碱性树脂研磨成细粉，加入到第一凝胶中，两者进行交联反应，形成第二凝胶；

4）将第二凝胶成膜在基板上，晾干；

5）对晾干后的膜进行浸碱预处理。

优选的，所述过渡金属无机盐为过渡金属Co、Fe或Ni的无机盐。进一步优选的，所 述过渡金属无机盐为二价钴盐。再进一步优选的，所述二价钴盐为二氯化钴或CoSO4。

进一步地，步骤1）根据过渡金属离子的含量，确定所述过渡金属无机盐的添加量， 所述过渡金属离子的含量为：0.1%～1%；所述过渡金属离子的含量是指过渡金属离子与聚 乙烯醇的质量百分比。

进一步地，步骤2）中所述加热温度控制在80～95摄氏度，搅拌2.5~3小时。

进一步地，所述步骤3）添加AER碱性树脂与所述步骤2）添加聚乙烯醇粉末的质量 比为1：2。