[发明专利]用PFSA离聚物和ePTFE制成的反渗透膜

说明书

技术领域

本发明涉及可用于增湿、反渗透和电池隔膜(separator)应用的离聚物膜。

背景技术

离聚物膜被应用于众多现代应用，包括电池技术、燃料电池技术、反渗透、过滤等。

在电池应用中，将这种膜用作隔膜。电池隔膜是插入在阳极和阴极之间并位于电解液中的多孔片。例如，在锂离子电池中，在放电期间锂离子(Li⁺)从阳极移动到阴极。电池隔膜的作用是防止电极之间的物理接触同时使得能够传递离子。典型的现有技术隔膜包括微孔膜以及由无纺布制成的纤维垫。理想地，电池隔膜对于电池中发生的电化学反应是惰性的。因此，已使用各种聚合物来形成电池隔膜。

在燃料电池的情况下，将这种膜用作离子导体。例如，在质子交换膜型的燃料电池中，氢作为燃料被供给至阳极，并且氧作为氧化剂被供给至阴极。氧可以是纯形式(O₂)或空气(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(MEA)，其中固体聚合物膜在一个面上具有阳极催化剂，并且在相反面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极和阴极层由多孔导电材料如机织石墨、石墨化片或碳纸形成，以使燃料能够分散在面对燃料供给电极的膜表面上。每个电极具有负载在碳粒子上的细分散的催化剂粒子(例如铂粒子)，以促进阳极处氢的氧化和阴极处氧的还原。质子从阳极穿过离子传导性聚合物膜流到阴极，在阴极处与氧结合形成水，水从电池中流出。

MEA夹在一对多孔气体扩散层(GDL)之间，它们进而又夹在一对无孔导电元件或导电板之间。该板充当了阳极和阴极的集电器，并且包含形成于其中的合适的通道和开口，用于将燃料电池的气态反应物分配到相应的阳极和阴极催化剂的表面上。为了高效地产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、质子传递性的、不导电的和不透气的。在典型的应用中，燃料电池以堆叠的许多单个燃料电池的阵列提供，以便提供高电力水平。为了良好地工作，聚合物电解质膜需要由本文所述的水蒸气传输性增湿膜提供的水合作用。

反渗透膜可用于许多应用，包括水纯化以及从水醇混合物中浓缩乙醇。此类型的膜由重组纤维素制成，但该纤维素存在使用温度低、易生物降解、和化学性质不稳定的缺点。

因此，本发明提供改进的制造可用于过滤、增湿、电池和燃料电池应用并具有分级(graded)孔径的膜的方法。

发明内容

本发明通过提供用于形成膜的方法解决了现有技术的一个或多个问题。该方法包括将锂盐溶解在包含离聚物的溶液中以形成改性溶液的步骤，该离聚物包括生质子基团。由包含所述锂盐和所述包括生质子基团的离聚物的溶液形成膜。将该膜干燥然后使其与水接触，从而在其中形成多个孔。利用此方法所形成的膜可用作电动车辆中的Li离子电池隔膜。其它应用包括：反渗透、水纯化、水/乙醇混合物中的醇浓度调整、和增湿器。

具体地，本发明提供在以下各方面中所描述的技术方案：

1.形成膜的方法，所述方法包括：

a)将锂盐溶解在包含具有生质子基团的离聚物的溶液中以形成改性溶液；

b)由该改性容液形成膜；

c)干燥所述膜；以及

d)使所述膜与水接触以在膜中形成多个孔。

2.如方面1所述的方法，其中所述锂盐是氯化锂。

3.如方面1或2所述的方法，其中孔径沿所述膜的厚度发生变化。

4.如方面3所述的方法，其中所述孔径沿所述膜的厚度减小。

5.如方面4所述的方法，其中所述孔径沿所述膜的厚度减小。

6.如方面4所述的方法，其中所述膜具有基本上无孔的区域。

7.如前述方面中任一项所述的方法，其中步骤b)中的膜通过使聚合物载体与所述改性溶液接触形成。

8.如方面7所述的方法，其中所述聚合物载体是膨体聚四氟乙烯。

9.如前述方面中任一项所述的方法，其中所述生质子基团选自-SO₂X、-PO₃H₂、和-COX，其中X是-OH、卤素、或C_1-6酯。

10.如前述方面中任一项所述的方法，其中所述具有生质子基团的离聚物是全氟磺酸聚合物。

11.如方面10所述的方法，其中所述全氟磺酸聚合物是包含基于全氟乙烯基化合物的聚合单元和基于四氟乙烯的聚合单元的共聚物，所述全氟乙烯基化合物如下式所示：