[发明专利]一种用于燃料电池的碱性阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于燃料电池的碱性离子交换膜，所述离子交换膜是一种多层结构的复合膜，复合膜的结构由表及里，包含里层膜、以及直接与燃料电池的燃料接触的外层膜；外层膜不含有催化活性物质，里层膜为单层或多层且含有一种或多种催化活性物质。催化活性物质为过渡金属、过渡金属氧化物或过渡金属氢氧化物。其中外层膜为PVA‑AER膜；通过以聚乙烯醇为基体、AER碱性树脂为化学活性基团，两者交联反应形成的；所述里层膜是在PVA‑AER膜进行催化活性物质添加形成。本发明还公开了制备上述碱性阴离子交换膜的方法。本发明制备的复合膜可以保证碱性阴离子交换膜的催化活性，同时还能减少膜对燃料的无效催化分解从而造成燃料利用率的下降。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及聚合物电解质膜燃料电池中碱性阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池作为一种将化学能转换为电能的特殊装置，由于具有能量转换效率高、低污染、储能物质选择范围宽、低噪音等多种其他能量发生装置不可比拟的优越性，被认为是最有希望的、环境友好的新型化学电源之一。其中，聚合物电解质膜燃料电池有效克服了燃料泄露等问题，且具有快速启动和对负荷变化的快速响应等优点，受到越来越多的关注，成为了最近的研究热点。

聚合物电解质膜燃料电池以聚合物电解质膜为固体电解质，起到分割阴阳两极及传导质子（H⁺）或氢氧根离子（OH^-）的作用，是聚合物电解质燃料电池中的一个关键部件。聚合物电解质膜的性能好坏对聚合物电解质膜燃料电池的发电性能起到了决定性的作用，因而高性能聚合物电解质膜的研究与开发就显得尤为重要。

聚合物电解质膜燃料电池通常根据传导离子的不同，可分为使用质子交换膜的酸性聚合物电解质膜燃料电池和使用碱性阴离子交换膜的碱性聚合物电解质膜燃料电池。目前，商业化的质子交换膜如美国杜邦公司生产的Nafion膜，由于具有高导电率、优良的化学、电化学及机械稳定性，是目前商业应用于燃料电池中最多的聚合物电解质膜。但是Nafion膜制备工艺复杂、价格高昂、制备过程对环境造成危害、高温下不稳定等问题，限制了质子交换膜燃料电池进一步的商业化使用。而另一方面，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一系列独特优点：由于其碱性环境，燃料电池具有更快的反应动力学、燃料渗透率低、可以使用非贵金属催化剂以及便于运输的甲醇或乙醇等有机燃料。正是由于这些优点，碱性阴离子交换膜燃料电池成为吸引各国关注的燃料电池技术，碱性阴离子交换膜自然成为了其中的研究焦点。

目前，有各种碱性阴离子交换膜的研究报道，其中以季铵盐基团和季磷盐基团为活性基团的碱性阴离子膜的研究最多，尤以季铵盐基团的受到更多的关注。例如公布号为CN 104311857 A的中国专利，由含有季铵基团的单体对聚合物主链进行亲核取代反应，得到一种双季铵侧长链型的碱性阴离子交换膜；再如公布号为CN 103804631 A的中国专利，公开了一种侧链季铵化的聚酮化合物的碱性阴离子交换膜及制备方法。碱性阴离子交换膜中季铵型聚合物的制备通常要经过氯甲基化、季胺化再到碱化等多个复杂的步骤，或者在聚合物基体上辐射接枝季铵基团等方法，存在制备工艺复杂、材料成本高等问题。碱性阴离子交换膜燃料电池相比质子交换膜燃料电池，还存在离子传导率低的问题，这会直接降低燃料电池的发电性能，而上述研究并未解决该问题。因此，研究一种具有良好的离子导通性能及燃料发电性能、并且制备工艺简单的低成本碱性阴离子交换膜对聚合物电解质膜燃料电池的发展有很好的意义。