[发明专利]一种高温水电解用复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种高温水电解复合膜及其制备方法和应用。其原料包括聚苯并咪唑、碳氟树脂、质子导体；所述质子导体的质量分数为20‑85wt.％，聚苯并咪唑树脂的质量分数为0.8‑15wt.％、碳氟树脂的质量分数为0.8‑20wt.％；所述质子导体为硫酸氢铯、硫酸二氢铯的一种或两种。先制备高温质子导体，再将聚苯并咪唑、碳氟树脂溶于强极性非质子溶剂得到聚合物溶液，将质子导体加入聚合物溶液中，超声分散得到分散均匀的铸膜液，浇铸在带凹槽的平板玻璃上，真空干燥后即得高温水电解复合膜。该复合膜在高温下具有良好的质子电导率，并且应用于高温水电解中展示出良好的性能。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种高温水电解复合膜及其制备方法和应用。

背景技术

水电解提供了一种由水制氢的能量转化路线，如果电解水的电源完全来自可再生能源，便可真正地实现CO₂的零排放。通过这种方式获得的氢气纯度非常高，可达99.99％以上。然而常规的水电解的研究方向仍然主要集中在电解液态水，带来了电极动力学反应速率低、贵金属催化剂用量大、电解能量利用率低等一系列问题。

高温水电解采用水蒸气为原料电解制氢，具有电极动力学反应速率快、贵金属催化剂用量低、能量利用率高等优点。在高温环境下，常用的Nafion系列膜由于玻璃转化温度低、尺寸变形大、电导率迅速下降而难以使用。为解决上述问题，期刊Solid State Ionics,2006,177,779-785在Nafion膜中掺杂SiO₂、WO₃、TiO₂等具有保水功能的纳米颗粒，增加膜内水分子含量，提升质子电导率。但是这种方法对膜的质子电导率提升效果有限，而且最高使用温度为120℃。J.Mater.Chem,2006,16,2256–2265在PVDF膜中掺杂离子液体制备复合膜，可以摆脱质子传导依赖于水的缺点，但是离子液体存在电导率低、对催化剂毒化作用大等缺点，目前无法实际应用。因此开发新型耐高温水电解膜是实现高温水电解制氢的关键问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高温水电解复合膜及其制备方法和应用，该复合膜在高温下具有良好的质子电导率，并且应用于高温水电解中展示出良好的性能。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种高温水电解用复合膜，其原料包括聚苯并咪唑、碳氟树脂、质子导体；所述质子导体的质量分数为20-85wt.％，聚苯并咪唑树脂的质量分数为0.8-15wt.％；碳氟树脂的质量分数为0.8-20wt.％；所述质子导体为硫酸氢铯、硫酸二氢铯的一种或两种。

基于上述技术方案，进一步地，所述聚苯并咪唑的种类为：mPBI(聚2,2'-(间苯基)-5,5'-联苯并咪唑)、ABPBI(聚(2,5苯并咪唑))、OPBI(聚2,2'-(对二苯醚基)-5,5'-联苯并咪唑)、带磺酸基侧链的PBI、带膦酸基侧链的PBI超支化PBI一种或多种组合。

基于上述技术方案，进一步地，所述碳氟树脂为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、六氟丙烯(HFP)中的任意一种或多种的混合物。

本发明还提供了高温水电解复合膜的制备方法，所述制备步骤如下：

(1)制备高温质子导体：硫酸铯粉末溶于浓硫酸溶液中，充分反应后得到透明澄清溶液，将溶液烘干后得到白色粉末；

(2)将聚苯并咪唑(PBI)、碳氟树脂分散于强极性非质子溶剂，得到聚合物溶液；

(3)将步骤(1)中白色粉末溶于步骤(2)中的聚合物溶液，超声分散，得到乳白色铸膜液，浇铸在带凹槽的平板玻璃上，干燥后即得。

基于上述技术方案，进一步地，所述步骤(1)中硫酸铯粉末和浓硫酸的摩尔比为1:(1-2)。