[发明专利]一种包含占吨结构的阴离子交换膜及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域和高分子膜材料领域，具体涉及一种含季铵盐侧基和占吨 结构的聚芳醚化合物、阴离子交换膜及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池(AFCs)被认为是二十一世纪最具发展前景的能量转换设备之一。质子交换膜燃料电池(PEMFCs)作为燃料电池(AFCs)的一种，由于能量密度和功率密度高、环境友好、可在室温下快速启动、无电解液流失、寿命长以及结构简单等优点，在近些年来发展较为迅速。PEMFCs为酸性电解质体系，目前使用的离子交换膜主要以美国杜邦公司生产的系列膜为代表，具有比较高的离子电导率和机械性能，但是其价格昂贵，加上需使用铂等贵金属催化剂的同时还存在甲醇燃料渗透以及中间产物导致电极催化剂中毒等问题，严重阻碍了其进一步大规模的市场化应用。为了克服这些技术问题，科研工作者又提出了一种在碱性环境下工作的燃料电池技术，碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)，与质子交换膜燃料电池相比，具有明显的特点和优势：能够有效地阻隔阴阳两极的燃料和氧化剂，甲醇渗透率低；具有比在质子交换膜燃料电池中更快的反应速度；不会造成电极催化剂中毒；可使用Ag，Ni，Co等地球储量丰富的过渡金属，避免了必须使用贵金属催化剂的情况，大大降低了生产成本。

作为AAEMFCs的重要组成部分，阴离子交换膜的性能对电池的性能具有重要影响。 AAEMFCs中的阴离子交换膜，需要有比较高的离子电导率、高的化学稳定性和热稳定性以及 良好的机械性能等。目前在碱性环境中，电导率低和化学稳定性差是AAEMFCs面临的主要问 题。能否制备出含有高的OH^-电导率的同时保持适当的溶胀度、具有足够的机械强度和化学 稳定性并能够耐80℃以及以上的高温是AAEMFCs阴离子交换膜商业化面临的重要挑战之 一。阴离子交换膜的主链一般由聚芳醚类化合物或脂肪链聚合物构成，侧基由带电荷的季 铵盐基团构成。聚芳醚化合物具有卓越的热稳定性、机械性能和耐腐蚀性能，在燃料电池离 子交换膜材料领域受到广泛的应用。因此，开发一种离子电导率高、热稳定性和化学稳定性 好和低成本的聚芳醚类阴离子交换膜具有非常重要的实用意义。

本专利说明了基于包含占吨结构的阴离子交换膜具有比较高的离子电导率、机械 性能、化学稳定性以及热稳定性能，能够作为质子交换膜应用在碱性阴离子交换膜燃料电 池中和全钒液流电池中。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种包含占吨结构的聚芳醚化合物及其阴离 子交换膜，该阴离子交换膜具有比较高的离子电导率和化学稳定性，主链由聚芳醚化合物 构成，具有良好的机械性能和热稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种包含占吨结构的阴离子交换膜为如下式(Ⅰ)所示的包含占吨结构的聚芳醚化 合物：

其中x和y代表聚合度，x为1～200，y为0～200且x/(x+y)×100％＝5％～100％，y/ (x+y)×100％＝0％～95％，聚合物的相对分子量为10000～100000，R₁可为氢原子、甲基或 季铵盐基团。

所述的各自独立选自式(1)～式(2)中的任意一种：

当R₁＝氢时：选自下式(3)～式(4)中的任意一种：

T为甲基或季铵盐基团。

当R₁＝甲基或季铵盐基团时，选自下式(5)～式(10)中的任意一种：

优选的，侧链季铵盐基团可为如下取代基中的任意一种：

其中，X为任意带负一价电荷的阴离子，可为Br^-，Cl^-或OH^-。

按照本发明，所述式(Ⅰ)为无规共聚物。

通过控制投料的比例，可以控制x和y组分的比值，x和y的数值反映出聚芳醚化合 物的分子量及其分子量分布范围。

本发明的另一个目的在于提供上述包含占吨结构的聚芳醚化合物的制备方法。

本发明方法包括以下步骤：