[发明专利]碱性燃料电池阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碱性燃料电池用阴离子交换膜及其制备方法，该半互穿季铵化聚砜/聚季铵盐‑10阴离子交换膜为PQ‑10/CMPSU阴离子交换膜。本申请的QPSU/PQ‑10阴离子交换膜具有良好的抗氧性能和耐碱性能，离子电导率可达69.91mS/cm。

技术领域

本发明涉及一种碱性燃料电池阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

传统的化石能源的大量使用造成了严重的环境污染和能源短缺问题，可再生能源和清 洁能源的研究和使用引起了人们越来越多的关注。燃料电池作为一种零碳排放的环保型能 源转换装置，可以将化学能直接转化为电能，被认为是在交通和工业应用中最有前途的可 持续能源转换技术之一。根据工作环境的不同，燃料电池可分为质子交换膜燃料电池 (PEMFCs)和阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)，其中PEMFCs因其能量转化效率高、清洁无污染以及工作噪音低等优点，已在便携式发电机和汽车领域得到较多的应用。然而贵金属催化剂Pt的使用使其成本增加，限制了PEMFCs的广泛应用，AEMFCs与非贵金属催化剂 如Ag、Ni、Fe等有良好的相容性，成本较低，是最有前途的下一代清洁能源技术之一，从 而得到了广泛的探索。

阴离子交换膜(AEM)是AEMFCs的核心组成部分，直接决定了AEMFCs的性能，包括燃料电池的寿命和功率密度，它不仅能分离电池的阴极和阳极，还对离子的输送起着至关重要的作用。作为AEMFCs的核心组成部分，AEM应该有着高的离子电导率、良好的耐碱性和 足够的机械强度，然而由于OH^-的传输系数仅为H⁺的四分之一，导致AEM的离子电导率比PEM低，研究发现可以通过提高AEM的离子交换容量(IEM)来提高膜的离子电导率，但较高的IEC会导致过量吸水和膨胀，加剧OH^-对主链和离子基团的攻击，不利于AEMs的化学稳定性和机械强度，可通过对AEM的骨架进行交联构建半互穿或全互穿聚合物网络来解决这个问题。Xue等设计并制备了由季铵化聚苯乙烯(PS)和聚(2.6-二甲基-1,4苯基氧化物)(PPO)组成的半互穿聚合物网络阴离子交换膜(J.D.Xue,L.Liu,J.Y.Liao,Y.H.Shen,N. W.Li,JMater Chem A 2018,6,11317)。在该体系中，季铵盐化的PS作为阴离子传导 的媒介，而叠氮-炔环加成形成的PPO网络作为骨架材料保持膜的力学性能和尺寸稳定性。 疏水交联PPO网络的存在可以有效地限制AEMs在水中的尺寸膨胀，即使在高IEC条件下也 能保持机械强度。这一系列膜在20℃时氢氧化物电导率最高为37.2mS·cm-1，远高于物 理共混制备的类似IEC值的对照样品(20℃时为14.8mS·cm-1)；此外,这一系列AEM在 80℃1M的NaOH溶液中浸泡700h后最高仍能保留59.1％的氢氧根离子电导率和76.4％ 的IEC值显示优良的碱性稳定。

目前研究最多的阴离子交换膜材料主要有聚苯醚、聚醚酮、聚醚醚酮、聚乙烯醇和聚 砜等，其中聚砜(PSU)以其低廉的价格、优异的热性能和机械性能，被广泛应用于燃料电池； 然而聚砜基阴离子交换膜在制备过程中要经历苯环的氯甲基化和苄基氯的季铵化过程，其 中氯甲基化过程中使用的氯甲基醚是有毒和致癌的，而且大多数已报道的聚砜基阴离子交 换膜在吸水后脆性大、易碎，力学性能较差，离子电导率较低。

CN202010752234.7和CN202010753905.1分别公开了一种用于阴离子交换膜燃料电池 的聚乙烯醇/聚季铵盐阴离子交换膜和一种用于用于阴离子交换膜燃料电池的聚乙烯醇/聚 季铵盐阴离子交换膜的制备方法，该两份文献采用PVA/PQ-10制备阴离子交换膜，虽然其 公开的阴离子交换膜能用于燃料电池，但是，该阴离子交换膜力学性能差、化学稳定性及 电性能较差。

发明内容

基于上述问题，一方面，本发明提供一种半互穿季铵化聚砜/聚季铵盐-10阴离子交换 膜的制备方法，该方法制备出的半互穿季铵化聚砜/聚季铵盐-10阴离子交换膜QPSU/PQ-10 阴离子交换膜具有良好的抗氧性能和耐碱性能，离子电导率可达69.91mS/cm。