一種燃料電池用雙極膜及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種燃料電池用雙極膜及其制備方法。所述方法將堿性聚合物溶液澆鑄在兩性金屬基體上成膜，在堿溶液中進行離子交換的同時分離金屬基體和堿性薄膜。然后以酸性聚合物溶液為粘結劑，將堿性聚合物膜與酸性聚合物膜熱壓成型。本方法可以有效控制堿性聚合物膜厚度，使酸堿性膜接觸良好，從而降低雙極膜電阻，有效提高雙極膜燃料電池的功率密度。本發明專利技術操作簡單，所制備的雙極膜具有完整的雙極膜界面，機械性能優異，常溫離子導電性好，顯著改善了雙極膜燃料電池的性能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種燃料電池用雙極膜及其制備方法，屬于燃料電池技術技術背景質子交換膜燃料電池(PEMFCs)是一種通過電化學反應將燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。質子交換膜燃料電池由于具有功率密度大、能量轉換效率高、電池結構緊湊、啟動速度快、環境污染小、可應用領域廣泛等眾多優點而成為各類燃料電池中發展最快、技術最為成熟的一類燃料電池。然而，進一步降低質子交換膜燃料電池的成本及簡化其在室溫下運行的水管理輔助設備一直是推進質子交換膜燃料電池大規模商業應用的重點。近年幾來，隨著堿性陰離子交換膜(AEM)的發展，堿性陰離子交換膜燃料電池(AEMFCs)因其堿性環境更有利于使用非貴金屬催化劑從而引起了研究者的廣泛關注。但是目前堿性陰離子交換膜的電導率還比較低，嚴重制約了堿性陰離子交換膜燃料電池功率密度的提高。同時，在堿性陰離子交換膜燃料電池中同樣具有類似質子交換膜燃料電池的水管理問題。最新研究開發的雙極膜燃料電池(BPMFCs)利用特殊的雙極膜結構有效結合了質子交換膜燃料電池和堿性陰離子交換膜燃料電池的優點。雙極膜燃料電池具有如下優點：(1)可使用高電導率的質子交換膜(PEM)以降低總的膜電阻；(2)堿性電極利于使用非貴金屬催化劑，有望降低貴金屬催化劑的用量及膜電極成本；(3)水在雙極膜界面生成，不會直接引起電極水淹，而且有望實現電池的自增濕，大大簡化水管理系統，等等。傳統的雙極膜多在水電解系統中應用，采用陰、陽離子交換膜層熱壓成型、粘合成型、一膜層在另一膜層上流延成型、基膜兩側分別引入陰、陽離子交換基團法、一膜層在另一膜層上電沉積成型等方法制備。然而，傳統水解離雙極膜的電導率很低，難以滿足在燃料電池中的應用需求。等報道的燃料電池用雙極膜制備方法(J.Phys.Chem.C,2009,113:11416)，將商業化的膜(杜邦DuPont)與功能基團為季銨鹽的堿性膜(厚約150μm)，在以Nafion的異丙醇溶液作粘結劑的條件下室溫壓合而成雙極膜，單電池的功率密度為0.64mW/cm2。Shen等報道的燃料電池用雙極膜制備方法(ECSTrans.,2010,33:2011)為，將商業化的膜與堿性膜(厚35μm,FuMA-Tech)在80℃條件下直接壓合而成雙極膜，單電池功率密度約6mW/cm2。相比于膜。但是，目前商業化的或研究開發中的堿性離子交換膜的電導率仍比較低。在制備燃料電池用雙極膜時，盡量提高堿性離子交換膜的電導率及降低膜厚度對降低整個雙極膜的膜電阻具有至關重要的作用。因此，迫切需要能夠提供高的雙極膜燃料電池功率密度的燃料電池用雙極膜的制備方法，且開發新型高性能的燃料電池用雙極膜也是非常必要的。
技術實現思路
針對上述問題，本專利技術提供了一種新型的燃料電池用雙極膜制備方法，其所制備出的雙極膜為透明、致密隔膜，具有完整的雙極膜界面、優良的熱穩定性、化學穩定性、機械性能和優異的常溫離子導電性。該方法可以方便地調節堿性離子交換膜厚度，便于優化雙極膜的結構和改善膜電阻，因而有利于提高雙極膜燃料電池的性能。本專利技術提供的技術方案是一種燃料電池用雙極膜的制備方法，其特征包括：將具有耐化學腐蝕性和熱穩定性的堿性離子交換聚合物溶解于溶劑中，得到聚合物濃度為1～5wt％的一種均勻聚合物溶液，并在潔凈的兩性金屬基體上進行成膜處理；將上述基體連同附著在基體上的薄膜一起在一定濃度堿溶液中浸泡并去除基體，取出薄膜并清洗后得到均相透明的堿性離子交換膜；將所述均相透明的堿性離子交換膜一側涂覆一定體積的酸性聚合物膜溶液，再將此側與酸性離子交換膜接觸并在60℃條件下熱壓成型，從而得到具有高的常溫離子電導性的雙極膜。用本專利技術所制備的雙極膜中，酸性離子交換膜與堿性離子交換膜接觸良好并形成完整的雙極膜界面，顯著降低了雙極膜的膜電阻，提高了雙極膜燃料電池的功率密度。附圖說明圖1為本專利技術制備的雙極膜的電子顯微照片和雙極膜中對應氟元素分布圖。圖2為采用本專利技術制備的雙極膜裝配電池的輸出功率圖。具體實施方式根據本專利技術的一個方面，提供了一種制備燃料電池用的雙極膜的方法，包括：將堿性離子交換聚合物溶于適當溶劑，并在兩性金屬基體(如鋁箔)上成膜；其中，該溶劑諸如N，N-二甲基甲酰胺(DMF))中得到的、聚合物濃度為1～5wt％的一種透明聚合物溶液；在40～80℃下干燥、揮發上述溶劑，得到附著在基體上的均相透明的堿性離子交換膜；其中，依據所選溶劑的不同，成膜溫度在40～80℃范圍中進行相應調整；將上述基體連同附著在基體上的堿性離子交換膜一起在一定濃度的堿溶液中浸泡，使薄膜與基體分離并去除基體，取出薄膜并清洗后得到均相透明的堿性離子交換薄膜；將上述均相透明的堿性離子交換薄膜一側涂覆一定體積的酸性聚合物膜溶液(如：杜邦Nafion溶液)，將堿性離子交換薄膜的此側與酸性離子交換膜接觸并在60℃條件下熱壓成型，從而得到具有高的常溫離子導電性的雙極膜。實施例制備Nafion/QAPSF雙極膜將側鏈帶季銨鹽基團的聚醚砜(QAPSF)堿性聚合物溶于分析純DMF溶液中，得到透明均勻的、QAPSF質量百分含量為2％的聚合物溶液；取300ul上述聚合物溶液滴在3cm×3cm鋁箔(厚度10μm)上，在65℃下充分干燥、揮發溶劑(10-30分鐘)，得到附著在鋁箔上的均相透明的QAPSF薄膜，厚度為10μm；將鋁箔連同附著在鋁箔上的QAPSF薄膜浸泡在1MNaOH溶液中，使QAPSF薄膜與鋁箔分離并去除鋁箔，取出薄膜并用超純水清洗后得到均相透明的QAPSF薄膜；將上述均相透明的QAPSF薄膜平鋪在PTFE膜上，用移液槍取10ul5％Nafion溶液均勻涂覆在QAPSF膜上表面，干燥2分鐘，將準備好的3cm×3cm的Nafion膜壓在該QAPSF膜上，再壓一層PTFE膜，馬上轉移到手動粉末壓片機(BOKM-40)上，0.5MPa60℃熱壓2分鐘，得到具有高常溫離子導電性的Nafion/QAPSF雙極膜，所制備的雙極膜的斷面結構如圖1所示，酸性膜與堿性膜界面結構緊密，界面結構清晰。所制備出雙極膜儲存在超純水中備用。電導率測試：上述雙極膜的電阻采用IVIUMSTAT電化學工作站以四電極交流阻抗法進行測試，選用恒壓模式，測試頻率范圍為100KHz～100Hz，偏壓為10mV。測試出的雙極膜電導率在0.04S/cm左右。將所制備的雙極膜作為聚合本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種燃料電池用雙極膜制備方法，其特征在于包括：將具有耐化學腐蝕性和熱穩定性的堿性離子交換聚合物溶解于N，N?二甲基甲酰胺(如果要用上位的“溶劑”，需要列舉其他的溶劑)中，得到聚合物濃度為1～5wt％的一種透明聚合物溶液，并用該透明聚合物溶液在潔凈的兩性金屬基體上進行成膜處理，形成附著在兩性金屬基體上的薄膜；將上述兩性金屬基體連同附著在其上的薄膜一起在一定濃度的堿溶液中浸泡并去除兩性金屬基體，從而得到均相透明的堿性離子交換膜；以酸性聚合物膜溶液為粘結劑，將上述堿性離子交換膜與一酸性離子交換膜在60℃條件下熱壓成型，從而得到具有高的常溫離子導電性的雙極膜。

【技術特征摘要】
1.一種燃料電池用雙極膜制備方法，其特征在于包括：
將具有耐化學腐蝕性和熱穩定性的堿性離子交換聚合物溶解于N，N-二甲
基甲酰胺(如果要用上位的“溶劑”，需要列舉其他的溶劑)中，得到聚合物濃
度為1～5wt％的一種透明聚合物溶液，并用該透明聚合物溶液在潔凈的兩性金
屬基體上進行成膜處理，形成附著在兩性金屬基體上的薄膜；
將上述兩性金屬基體連同附著在其上的薄膜一起在一定濃度的堿溶液中浸
泡并去除兩性金屬基體，從而得到均相透明的堿性離子交換膜；
以酸性聚合物膜溶液為粘結劑，將上述堿性離子交換膜與一酸性離子交換
膜在60℃條件下熱壓成型，從而得到具有高的常溫離子導電性的雙極膜。
2.根據權利要求1的燃料電池用雙極膜制備方法，其...

【專利技術屬性】
技術研發人員：盧善富，相艷，徐鑫，彭思侃，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京;11