[发明专利]一种中温质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种中温质子交换膜及其制备方法；所述中温质子交换膜包括耐热聚合物基体和含氧酸盐，所述含氧酸盐装载于耐热聚合物基体中。所制备的中温质子交换膜不仅具有高的质子电导率、良好的热稳定性，而且具有出色的机械性能。其适宜于工作在100‑400℃温区，运行温度低于熔融碳酸盐电解质，由此能够采用高机械强度的柔性聚合物作为支撑基体，装载熔融态含氧酸盐。本发明公开的熔融质子导体电解质膜，制备工艺简便，适合工业化生产；同时其廉价的原材料有助于降低电解质膜以及燃料电池的成本，有望在中温燃料电池领域、以及相关需要中温质子传导电解质膜的领域得到广泛应用。

技术领域

本发明涉及的是一种电化学技术领域的电解质及其制备方法，具体是一种中温质子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池是通过电化学反应将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置。在各种燃料电池中，中温燃料电池(运行温度在100-400℃)展示出了吸引人的优势。相比于低温燃料电池，中温燃料电池拥有增强的CO耐受性、更高的催化效率和电极动力学等；相比于高温燃料电池，中温燃料电池所用材料的选择余地更宽，因而可降低材料成本。

燃料电池的核心是电解质，它决定了燃料电池的工作温度。迄今，在各种燃料电池中，熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)是唯一使用熔融态电解质的燃料电池。为了保持该电解质为熔融态，要求燃料电池工作温度高于550℃(标准工作温度是650℃)。相比于其它燃料电池，MCFC的最大优势在于采用熔融态电解质，易实现气体密封、以及可减小电极与电解质的界面接触电阻。并且，因其熔融态，熔融碳酸盐电解质(例如(Li_0.52Na_0.48)2CO₃、(Li_0.62K_0.38)₂CO₃)需要装载于一个多孔陶瓷支撑体中。而为了维持其良好机械强度，MCFC拥有非常厚的电解质(0.5–1.5mm)，造成电解质欧姆功率损耗增加。另一方面，550–650℃的操作温度限制了材料选择范围，以至于不能使用柔性的聚合物作为支撑体，而只能使用耐温、但脆性且易裂的陶瓷材料。

发明内容

本发明提供一种中温质子交换膜及其制备方法。中温质子交换膜适宜于工作在100–400℃中温区，采用高机械强度的柔性聚合物作为支撑基体，装载具有高质子导电能力的熔融态含氧酸盐，并且可采用传统的流延涂膜法制备超薄(10-100μm)支撑基体。聚苯并咪唑(PBI)与氟聚合物(如PVDF)具有良好的机械强度、化学稳定性、以及热稳定性，本发明将其用作聚合物支撑基体。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种中温质子交换膜，包括耐热聚合物基体和含氧酸盐，所述含氧酸盐装载于耐热聚合物基体中。所述含氧酸盐具有质子导电能力。

优选地，所述耐热聚合物基体与含氧酸盐的重量比为1：(0.1～5)。

更优选地，所述耐热聚合物基体与含氧酸盐的重量比为1：0.35～5。

优选地，，所述耐热聚合物为耐热碳氢聚合物、氟聚合物中的一种或者多种的组合；

所述含氧酸盐为MHXO₄、MH₂X’O₄、MH₅(X’O₄)₂中的一种或多种的组合，其中M为Cs、Rb、K或NH₄⁺，X为S或Se，X’为P或As。

优选地，所述耐热碳氢聚合物为聚苯并咪唑(PBI)；所述氟聚合物为聚偏氟乙烯(PVDF)。