[发明专利]一种燃料电池复合膜及其制备方法

说明书

本发明属于膜材料领域，涉及一种复合膜及其制备方法。复合膜由铸膜液加注到聚烯烃多孔膜表面形成，铸膜液由咪唑鎓盐晶体、聚乙烯苄基氯和交联剂复合而成，咪唑鎓盐晶体的合成采用低温真空法将以4,5‑二取代咪唑鎓盐为原料形成的物质固定于金属有机框架晶体材料中；复合膜的制备是通过将聚乙烯苄基氯、交联剂和咪唑鎓盐晶体共混形成铸膜液，将铸膜液加注到多孔膜表面，再铺设离型膜，形成“三明治”结构，通过加热交联，将交联后的复合膜进行季铵化和碱化处理，得到超薄复合膜。本发明复合膜具有交联程度高、机械强度高、使用寿命长、降解速度慢的优点，交联结构使得复合膜对活性基团有更好的固定作用，提升了复合膜的离子传导率。

技术领域

本发明涉及一种复合膜及其制备方法，属于膜材料领域。

背景技术

在现有的能源体系中，主要的化石燃料面临着越来越严重的可持续发展和环境问题，世界迫切需要高效、清洁的能源转换和存储设备。燃料电池技术具有能源效率高和有害排放小的优点，在过去的几十年里吸引了广泛关注。质子交换膜燃料电池(PEMFC)目前已初步应用，但其仍然面临着贵金属催化剂带来的成本以及电池的寿命问题。而阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)则被认为是潜在的另一条更有希望的途径，尤其是在便携式、固定和备用电源领域。与在酸性条件下工作的PEMFCs相比，在碱性条件下工作的AEMFCs具有以下几个优点:(1)在碱性条件下氧气还原反应动力学更快；(2)可以使用非贵金属催化剂；(3)碱性条件下腐蚀问题较轻。然而AEMFCs的商业化却严重受制于高性能阴离子交换膜(AEM)的缺乏。此外，碱性阴离子交换膜是碱性阴离子交换膜燃料电池的核心组件，它起到传导离子和阻隔燃料的双重作用，其性能的好坏直接决定着燃料电池的性能和寿命。

中国发明专利CN101844042A一种基于离子液体的阴离子交换膜的制备方法中公开了在反应器中加入咪唑型离子液体、丙烯酸酯类单体、溶剂、引发剂，通过加热聚合、分离得到聚合物，将得到的聚合物通过相转化法成膜，得到阴离子交换膜。该方法避免了传统阴离子交换膜制备过程中剧毒物质氯甲醚的使用，使得制备过程更简单安全。但是由于该方法制备的阴离子交换膜是脂肪族聚合物主链，在使用过程中会过度溶胀，尺寸稳定性和机械强度不好。 Zhang等将苯乙烯三甲基氯化(VBTAC)接枝至聚偏氟乙烯(PVDF)得到季铵功能化的阴离子交换膜，其合成路线温和，经碱处理(60℃3M NaOH中3天)后强度下降[F.X.Zhang,et al.J.Power Sources 196,2011,3099–3103]。通过交联的方法制备碱性阴离子膜，交联可有效降低碱性阴离子交换膜的溶胀度和吸水率。但交联的密度不易过高，否则会增加膜内部的应力，造成分子链的旋转受阻，导致干膜变脆。

因此，在AEMs制备过程中，需要考虑的影响因素非常庞杂，不仅机械性能与电化学性能的矛盾，还要考虑膜的厚度与离子传导率的关系那么如何探索一种绿色、简单，电导率高，成本低，机械性能优异和耐碱性能良好的碱性阴离子膜是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度超薄复合膜，其优点在于，确保复合膜高化学稳定性的同时降低膜的厚度，此外提升复合膜的离子传导率。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:

本发明一方面提供了一种复合膜，复合膜由铸膜液加注到聚烯烃多孔膜表面形成，所述铸膜液由咪唑鎓盐晶体、聚乙烯苄基氯(PVBC)和交联剂复合而成，所述咪唑鎓盐晶体为：以4,5-二取代咪唑鎓盐为原料形成的物质固定在金属有机框架晶体材料中；所述4,5-二取代咪唑鎓盐为1-丁基C4、C5二取代咪唑鎓盐或者1-己基C4、C5二取代咪唑鎓盐。

上述技术方案中，进一步地，所述咪唑鎓盐晶体的原料还包括对氯甲基苯乙烯。