[发明专利]一种基于N-螺环季铵盐聚合物的共混阴离子交换膜

说明书

本发明公开了一种基于N‑螺环季铵盐聚合物的共混阴离子交换膜，是以式(I)所示的N‑螺环季铵盐聚合物和式(II)所示的聚苯并咪唑为原料：按照N‑螺环季铵盐聚合物∶聚苯并咪唑=2～4∶1的质量比共溶于极性溶剂中得到聚合物溶液，浇铸成膜，干燥后制备得到。本发明制备的共混膜不仅具有较高的氢氧根电导率和适度的吸水溶胀性，还具有良好的机械性能及优异的电池性能，以其制备燃料电池的寿命接近100h。

技术领域

本发明属于燃料电池碱性阴离子交换膜技术领域，涉及一种基于N-螺环季铵盐聚合物制备的共混阴离子交换膜。

背景技术

随着社会经济的发展，能源与环境问题已成为一个世界性的难题。我国作为能源消耗大国，面对这一严峻的环境能源危机，开发新型的清洁可替代能源迫在眉睫。

不同于常规电池，燃料电池不受卡诺循环限制，可以直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，且唯一的副产物是水，是一种高效洁净的绿色能源，近年来引起了广泛的关注和研究。其中，聚合物电解质膜燃料电池具有高能量转化效率、高比功率和高比能量，且负荷响应快，使用寿命长，因此应用领域广泛。

目前，大部分关于聚合物电解质膜燃料电池的研究都集中在了质子交换膜燃料电池上。但此类电池的阻醇性能差、催化剂(铂、钌等贵重金属)和质子交换膜价格昂贵，阻碍了其进一步的发展和应用。同时，由于一氧化碳会导致催化剂在使用时中毒现象严重，降低了电池的使用寿命。

与质子交换膜燃料电池相比，碱性阴离子交换膜燃料电池显示出独特的优势：1)、在碱性条件下，燃料的电极反应会更快，因而可以减少催化剂用量，甚至可以允许非贵金属催化剂的使用；2)、碱性条件下，催化剂中毒的可能性较小；3)、由于燃料与氢氧根的传递方向相反，燃料的泄漏率会降低；4)、碱性条件下能够改善电池元件的易腐蚀问题，从而增加了电池元件的可选择性。基于上述原因，阴离子交换膜燃料电池近几年成为了燃料电池领域研究的热点。

作为碱性阴离子交换膜燃料电池的核心部件之一，阴离子交换膜发挥了传递氢氧根离子和阻隔燃料渗漏的作用，其性能直接影响着燃料电池的最终性能。

与质子交换膜的研究相比，阴离子交换膜研究尚浅，故当前还面临着大量的问题。

1)、阴离子交换膜电极以氢氧根离子作为移动离子，其扩散系数不到氢离子的1/4。为了提高阴离子交换膜电极的氢氧根电导率，普遍采用提高离子交换容量的手段。而高的离子交换容量势必将会导致膜的严重溶胀，难以满足使用要求。

2)、碱性阴离子交换膜燃料电池的工作环境特点是高碱性(pH14)和高温(60℃)。聚合物主链在碱性条件下容易受到氢氧根离子的进攻而发生断链，导致膜失去机械性能而无法使用。高温下，有机阳离子官能团(如季铵盐)容易受到氢氧根离子的进攻而发生降解反应(如SN2亲核取代、Hoffman降解反应等)，从而导致阴离子交换膜在实际使用过程中的离子传导率急剧下降。

因此，如何进一步提高阴离子交换膜的离子传导率和碱性稳定性，是目前急需解决的关键科学问题。

在离子传导率方面，通过对聚合物的结构和聚集形态进行控制，可以形成有效的微相分离结构，从而提高膜的离子传导率。

Watanabe等(Anion Conductive Block Poly(arylene ether)s: Synthesis,Properties, and Application in Alkaline Fuel Cells. J. Am. Chem. Soc., 2011,133(27): 10646-10654.)设计合成了嵌段结构的阴离子交换膜材料，该膜在60℃的水中氢氧根离子传导率可达0.126S/cm。