CN109585890A - 高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质及其制备方法 - Google Patents

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刘飒
陈晓文
高京夏
杨峥
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Abstract

高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质及其制备方法，包括步骤：合成烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子液体；使烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子液体在酸性环境中发生溶胶‑凝胶反应，形成高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质。本发明的高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质的制备方法，操作方法简单易行，成本低、环境友好、适于大规模生产；所述制备的离子凝胶基质子交换膜强度好，具有较低的电阻和良好的耐温性，安全可靠。

Description

高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质及其制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池，具体涉及高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质及其制备方法。
背景技术
高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)由于具有可以加快阴阳极动力学速度、提高阳极对CO的耐受能力、简化电池水热管理系统等优点而逐渐成为PEMFC的研究热点。而其关键材料是在高温环境中仍具有高质子传导性的电解质隔膜。其中的代表为PBI/H3PO4复合膜，但复杂的制备工艺、昂贵的价格及在高温、强氧化、强电场的恶劣环境下不理想的寿命制约了其发展。近年来，一种新型的二氧化硅基离子凝胶广受研究者们的关注，不仅保留了离子液体的优异性能，还兼具了硅凝胶的高机械强度、良好的化学/热稳定性及低廉的价格优势。二氧化硅基离子凝胶一般是在传统的离子液体(如咪唑类离子液体，铵盐类离子液体)中硅烷在酸存在下发生水解反应得到，制备工艺较为复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种强度好，电导率高，成本低的高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质的制备方法，其包括以下步骤：
S1：合成烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子液体；
S2：使烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子液体在酸性环境中发生溶胶-凝胶反应，形成高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤S1具体包括：通过直接季铵化法或复分解法合成烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子液体。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子液体为1-(3-三甲氧基硅烷基丙基)-2-乙基-3-甲基铵三氟甲基磺酸盐或1-(3-三乙氧基硅烷基丙基)-2-乙基-3-甲基铵四氟硼酸盐。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤S2具体包括：20-100℃中，在盐酸水溶液或者无水甲酸中使烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子液体发生溶胶-凝胶反应，形成高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述盐酸水溶液的质量分数为5％-37％。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述盐酸或甲酸与所述烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子的摩尔比为10:1-1:5。
由上述高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质的制备方法所制备的高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质的制备方法，操作方法简单易行，成本低、环境友好、适于大规模生产；所述制备的离子凝胶基质子交换膜强度好，具有较低的电阻和良好的耐温性，安全可靠。
附图说明
图1为实施例中制备的质子交换膜热稳定曲线；
图2为实施例中制备的质子交换膜在不同温度下的电导率。
具体实施方式：
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例
实施例：高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质的制备方法，包括步骤：将5mol的-乙基-甲基胺和等摩尔的3-(氯丙基)三甲氧基硅烷进行季铵化反应生成1-(3-三甲氧基硅烷基丙基)-2-乙基-3-甲基铵氯盐；然后在100ml丙酮中与5mol三氟甲基磺酸钠进行阴离子交换反应，最终得到烷氧基硅烷功能化的离子液体；取1mol的离子液体与8mol的无水甲酸混合均匀，然后在40℃下发生溶胶-凝胶反应形成厚度为200微米的电解质隔膜。图1为所制备的质子交换膜热稳定曲线，可以看出，所制备的质子交换膜具有良好的耐温性。图2为所述制备的质子交换膜在不同温度下的电导率，可以看出所述制备的离子凝胶基质子具有较低的电阻。
需要说明的是，以上只是为了进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。比如，可通过直接季铵化法或复分解法合成烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子液体；所述烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子液体可以为1-(3-三甲氧基硅烷基丙基)-2-乙基-3-甲基铵三氟甲基磺酸盐或1-(3-三乙氧基硅烷基丙基)-2-乙基-3-甲基铵四氟硼酸盐；凝胶反应的温度可以是20-100℃；酸辅助剂为质量分数可以为5％-37％的盐酸水溶液或者无水甲酸，酸与离子液体的摩尔比可以为10:1-1:5。

Claims (7)

1.高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1：合成烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子液体；
S2：使烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子液体在酸性环境中发生溶胶-凝胶反应，形成高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质。
2.根据权利要求1所述的高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：通过直接季铵化法或复分解法合成烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子液体。
3.根据权利要求2所述的高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质的制备方法，其特征在于，所述烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子液体为1-(3-三甲氧基硅烷基丙基)-2-乙基-3-甲基铵三氟甲基磺酸盐或1-(3-三乙氧基硅烷基丙基)-2-乙基-3-甲基铵四氟硼酸盐。
4.根据权利要求1所述的高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：20-100℃中，在盐酸水溶液或者无水甲酸中使烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子液体发生溶胶-凝胶反应，形成高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质。
5.根据权利要求4所述的高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质的制备方法，其特征在于，所述盐酸水溶液的质量分数为5％-37％。
6.根据权利要求4所述的高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质的制备方法，其特征在于，所述盐酸或甲酸与所述烷氧基硅烷基功能化的铵盐离子的摩尔比为10:1-1:5。
7.由以上任一权利要求所述的高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质的制备方法所述制备的高温质子交换膜燃料电池用离子凝胶基电解质。
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