[发明专利]具有耐碱稳定性的碱性阴离子交换复合膜及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于碱性膜及其制备和应用领域，特别涉及一种具有耐碱稳定性的碱性阴离子交换复合膜及其制备和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有功率密度高、无污染、低温操作和启动迅速等优点，已成为21世纪高效、环境友好的重要能源技术之一。然而，随着使用要求的不断提高，燃料电池的发展已受到材料高成本(特别是关键材料电催化剂和质子交换膜)等问题的制约。近年来，碱性阴离子交换膜(AAEMs)及其在燃料电池中的应用引起了广泛的关注。相对于质子交换膜燃料电池，碱性阴离子交换膜燃料电池具有如下优点：1)碱性介质中，阳极氧化和阴极还原反应都具有很高的反应活性，因此可以使用非贵金属材料如银、镍、铁等作催化剂[M.A.Abdel Rahim，R.M.Abdel Hameed，M.W.Khalil，J.Power Sources 134(2004)160]，拓宽了催化剂的选择范围；2)碱性阴离子膜中的OH-基团与质子传递方向相反，可消除电渗析引起的甲醇渗透，大大降低了燃料透过问题[S.M.A.Shibili，M.Noel，J.Power Sources 45(1993)139]，同时改善了阴极侧的管理[R.Mosdale，R.Srinivasan，Electrochem.Acta 40(1995)413]；3)AAEMs与CO₂只有弱酸化作用，不会生成盐，可以避免碳酸盐析出的难题[P.Staiti，Z.Poltarzewski，V.Alderueei，J.Appl.Electrochem.22(1992)663]。

一些研究者通过对聚合物基体如聚砜(PS)、聚醚砜(PES)、聚酰亚胺(PEI)、杂萘联苯聚醚酮(PPEK)等进行改性处理(氯甲基化、季铵化和碱化)或者通过在聚全氟乙丙烯(FEP)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯-四氟乙烯(ETFE)中辐射接枝季铵基团等方法制备了AAEMs[J.J.Kang，W.Y.Li，Y.Lin，X.P.Li，X.R.Xiao，S.B.Fang，Poly.Adv.Tech.15(2004)61；L.Li，Y.X.Wang，J.Membr.Sci.262(2005)1；G.G.Wang，Y.M.Weng，D.Chu，D.Xie，R.R.Chen，J.Membr.Sci.326(2009)4；J.Fang，P.K.Shen，J.Membr.Sci.285(2006)317；C.T.S.Robert，R.V.John，Solid State Ionics 176(2006)585；N.D.Timothy，C.T.S.Robert，R.V.John，J.Mater.Chem.12(2002)3371；R.V.John，C.T.S.Robert，8(2006)839]。但该类阴离子交换膜制备过程复杂，同时在较高温度(大于60℃)，特别是高浓度碱液条件下不稳定而导致的膜性能下降甚至膜降解。因此，研制和开发高性能、高稳定性、易制备和价格低廉的新型碱性聚合物固体电解质膜意义重大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有耐碱稳定性的碱性阴离子交换复合膜及其制备和应用，该膜既表现出较高的导电性，又具有优良的耐碱稳定性，显著的降低燃料电池的成本，制备方法简单，成本低，成膜性好，适合于工业化生产。

本发明的一种具有耐碱稳定性的碱性阴离子交换复合膜，其组分按质量百分比包括：50-95％的含氧基水溶性聚乙烯醇(PVA)、5-50％的含有季铵基团的水溶性聚合物和0-45％的水溶性增塑剂。

所述的含有季铵基团的水溶性聚合物为聚二烯丙基二甲基氯化胺(PDDA)、季铵化羟乙基乙氧基纤维素(QHECE)(购于美国Aldrich公司)或聚丙烯酰胺-共-二烯丙基氯化胺(PAADDAC)(购于美国Aldrich公司)。

所述的水溶性增塑剂为聚乙二醇(PEG)、聚乙二醇甲基醚(PEGME)、聚乙二醇二甲基醚(PEGDE)、聚乙二醇二酐醇醚(PEGDCE)(购于美国Aldrich公司)、聚乙烯醇二羧基甲基醚(PEGBCME)(购于美国Aldrich公司)。

所述的含氧基水溶性聚乙烯醇(PVA)的分子量范围为低分子量(40000＜Mw＜70000)、中分子量(89000＜Mw＜98000)或高分子量(124000＜Mw＜186000)。