[发明专利]一种交联型全氟磺酸离子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)及全钒液流电池(VRB)用离子交换膜， 特别涉及一种交联型全氟磺酸离子交换膜及其制备方法，属于高分子功能膜材料领域。

背景技术

一些能源产生系统，如风力发电、太阳能等，由于受到气候变化、风力大小等自然条 件的影响，电能输出具有不稳定性和间断性地特点，进而造成机械功率大幅变化，会使发 电机输出的有功和无功产生波动，而且使电网的电能质量下降，同时造成电能浪费。目前， 国际上一项风电存储新技术——全钒氧化还原液流电池(Vanadium Redox Battery，VRB) 进入实用性阶段，通过对能源高效转换存储，保证稳定的电功率输出，改善电网安全性和 可靠性。

现有的储能技术中，由于全钒液流电池(VRB)具有循环寿命长、能量效率高、运行及维 护费用低廉、环境友好、响应时间短及深度放电而对电池不造成危害等优点，使其能满足 多种领域的需求：它既可以支持太阳能、风能等随机性很强的可再生能源发电，又可以作 为不间断电源(UPS)预防电力供应中断事件，还可以用于电网削峰填谷、平衡负荷、提高电 能质量及电站运行稳定性。全钒液流电池在大型电力公司供电、边远地区及中型电力用户、 普通居民用户用电储能等方面都具有良好的应用前景，其高效、节能的技术特点，对于我 国新能源的开发具有长远的影响。

氢能是新一代绿色能源技术的代表，将成为二十一世纪的主要替代能源，已经在全球 形成共识。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是将氢 能转化成电能的发电装置，能量转化效率远高于化石能源直接燃烧的利用效率，且无污染、 可再生，储存运输方便，是继碱性燃料电池(AFC)、磷酸盐燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐 燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)之后，正在蓬勃发展的第5代燃料电池， 是二十一世纪洁净、可再生替代能源的希望。鉴于其重要性，美国、加拿大、欧盟各成员 国等国家已经将氢能燃料电池的研发作为其战略政策之一，美国更是将燃料电池列为使美 国保持经济繁荣和国家安全而必须发展的27项关键技术之一。美国《时代周刊》将燃料电 池列为21世纪的高科技之首，美国总统布什于2006年4月22日称氢燃料电池将是未来的 能源，呼吁美国尽快从传统的汽车转换到氢能源汽车。随着国际各大汽车生产商和石油巨 头的积极参与，从资金到技术的大力投入，燃料电池已经逐步走出实验室，开始了商业化 的进程。虽然对现有的全氟磺酸质子交换膜进行了多种方法和思路的改性，使膜在高温下 的性能得到一定程度的提高，但是这些改性膜均不能很好解决现有的全氟磺酸聚合物在高 温下机械性能和导电性能下降的问题，尤其是不能满足高温PEMFC对膜材料在机械性能和 长寿命方面的要求。开发高温质子交换膜可更好地提高燃料电池的电效率，降低电池系统 的成本，更加适应燃料电池商业化的要求，尤其是燃料电池电动车用动力的需要。目前在 研的各种燃料电池质子交换膜性能难以满足大规模商业应用的要求。经过十几年的研究深 入考评证实，部分含氟和非氟质子交换材料难以满足氢氧燃料电池的要求，寿命短是其致 命缺点。

离子交换膜作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)及全钒液流电池(VRB)的关键材料之一， 起到传导离子、分隔正负极活性物质(不同价态的钒离子)的双重功能。其性质对全钒液流 电池(VRB)的性能，寿命和成本产生重大影响。现行的全钒液流电池(VRB)中广泛使用的是 全氟磺酸型离子交换膜，它具有质子传导率高、机械稳定性和抗氧化降解性好等优点，但 是该类膜的全氟化生产过程复杂、过程参数控制严格、膜的生产成本过高，在很大程度上 制约了全钒液流电池(VRB)的工业化和商业化。与全氟磺酸型离子交换膜相比，烃类磺酸型 离子交换膜具有制备工艺简单、原料价廉易得、生产成本远低于全氟磺酸型离子交换膜等 优点，但其却存在着化学稳定性差、抗氧化降解能力弱等缺点，当其应用于全钒液流电池 (VRB)的隔膜时，容易被正极电解质溶液中的强氧化性V5+所氧化降解，导致全钒液流电池 (VRB)的电池性能下降，电池的使用寿命缩短。因此，研制开发价格低廉、性能优异、抗氧 化性好的离子交换膜是促进全钒液流电池(VRB)发展的关键之一。