[发明专利]具有连续离聚物相的整体复合膜

说明书

实施方式涉及具有微孔聚合物结构的复合膜，以及在复合膜内形成连续离聚物相的离子交换材料。连续离聚物相是指在离聚物层中或在彼此叠置的离子交换材料的任何数量的涂层之间不存在任何内部界面。复合膜经过起泡测试程序后，雾度变化为0％或更低。在起泡测试程序之后，在复合膜上没有形成气泡或起泡。复合膜的雾度值在5％至95％之间，在10％至90％之间或在20％至85％之间。在0％相对湿度下，复合膜的厚度可以大于17微米。

技术领域

本发明涉及整体复合膜，尤其涉及具有连续离聚物相的复合膜。

背景技术

复合膜如阴离子、阳离子和两性复合膜可用于多种应用中。例如，复合膜是聚合物电解质燃料电池的组成部分，其中复合膜位于阴极和阳极之间，并且将在氢电极处的催化剂附近形成的质子传输到氧电极，从而可以从聚合物电解质燃料电池中获取电流。这些聚合物电解质燃料电池特别有利，因为它们在比其他燃料电池更低的温度下运行。而且，这些聚合物电解质燃料电池不包含在磷酸燃料电池中发现的任何腐蚀性酸。

复合膜也可用于电化学装置以分隔包含在电化学装置内的液体，所述电化学装置例如电解池或液流电池，例如氧化还原液流电池。液流电池通过电池的两种液体电解质之间的可逆还原-氧化反应进行充电和放电。离子交换(即提供电流的流动)通过复合膜发生，而两种液体电解质则在液流电池内各自的空间中循环。液流电池是可扩展的系统，可以在各种条件下运行。例如，液流电池可以集成到智能电网中，并且在存储来自风电场或太阳能场的能量方面是有利的。液流电池的特征还在于其使用寿命长达数年，易于维护，并且具有整体能效。

结合到燃料电池中的复合膜以及氧化还原液流电池、氯碱电解池、水电解、扩散渗析、电渗析、渗透蒸发和蒸汽渗透应用中使用的复合膜通常包含离聚物膜，该离聚物膜具有由多个离聚物涂层构成的不连续离聚物相。但是，这些离聚物薄膜复合膜在液流电池应用中可能会过早出现结构失效。在液流电池运行期间，这些离聚物薄膜复合膜的主要失效模式是在离聚物层中或离聚物的多个涂层之间在膜内部形成气泡或起泡。因此，需要改进的复合膜，其具有连续的离聚物相，高离子电导率，反应物质穿越程度低，高机械强度和低面内溶胀。

发明内容

在一个实施方式中，本发明涉及一种用于氧化还原液流电池的复合膜。该复合膜包括微孔聚合物结构，以及离子交换材料，该离子交换材料至少部分地嵌入在微孔聚合物结构内并且使微孔聚合物结构的至少一部分闭塞。离子交换材料在复合膜内形成连续的离聚物相。复合膜经过起泡测试程序后，雾度变化为0％或更小。起泡测试程序可以包括：在第一步中，在80℃，将复合膜浸入6摩尔/升硫酸水溶液中3分钟；在第二步中，将复合膜从硫酸水溶液中移出；在第三步中，在环境条件下将复合膜浸入去离子水中一分钟；在第四步中，将复合膜从去离子水中移出；连续重复从第一步到第四步的循环至少两次；在第五步中，在环境条件下干燥复合膜；在第六步中，对复合膜上形成的气泡或起泡计数。根据各种实施方式，在起泡测试程序之后在复合膜上没有形成气泡或起泡(即，在复合膜上计数为零气泡或起泡)。在一些实施方式中，复合膜的雾度值在5％至95％之间，在10％至90％之间或在20％至85％之间。

在一些实施方式中，复合膜包括离子交换材料的单个涂层。复合膜的厚度在0％相对湿度下可以为7至100微米，在0％相对湿度下可以为17至50 微米，或者在0％相对湿度下可以为25至40微米。根据各种实施方式的复合膜在0％相对湿度下可以具有大于17微米的厚度。

在一些实施方式中，复合膜包括离子交换材料的多个涂层。在这样的实施方式中，在不对第二涂层进行干燥步骤的情况下，在离子交换材料的第二涂层上形成离子交换材料的第一涂层。复合膜的厚度在0％相对湿度下可以为10 至150微米，在0％相对湿度下可以为15至80微米，或者在0％相对湿度下可以为20至60微米。

根据各种实施方式，离子交换材料的当量可以在500至2000克/摩尔当量(g/moleeq.)之间，在700至1500克/摩尔当量之间，或在900至1200克/摩尔当量之间，或在810至1100克/摩尔当量之间。