[发明专利]质子交换膜、其制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种氢氧燃料电池用的质子交换膜，属于材料化学领域，特别涉及一种含有杯芳烃衍生物与的薄膜。

背景技术

近年来，质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为动力源的研究在电化学和能源科学领域成为热点。PEMFC具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动、环境友好等优点，广泛应用于军事、航天、能源和交通等领域。质子交换膜(PEM)是PEMFC的核心部件，它与一般化学电源中的隔膜有很大的不同，首先，它不仅仅是一种简单的隔膜材料，它还是支撑电解质和电极活性物质的基底：另外，更重要的是，PEM还是一种选择性透过膜，是传递质子的介质和通道，区别于通常的多孔膜。理想的PEM应满足质子传导率高、电导率低、气体渗透率低、机械强度高、热稳定与化学稳定性高以及适当的性价比等条件。

目前，最常用PEM为美国杜邦公司生产的多(全)氟磺酸聚合物，Nafion系列质子交换膜，虽然已经实现了商品化，但由于全氟树脂的合成和磺化过程十分困难，导致其生产困难，成本很高，另外，其气体渗透性也存在问题。最近有报导使用非氟主链的聚合物如聚芳醚砜与聚丁二烯嵌段的部分磺化高分子为替代品的质子交换膜材料，但其机械性能与热、化学稳定性远不如Nafion系列质子交换膜。另外，也有报道将磷酸根、杂多酸根及分子筛等作为替代磺酸根的官能团引入非氟或多(全)氟主链高分子材料中来传输质子。但其对质子的结合-离解速度不如磺酸根快，降低了燃料电池的工作效率，而且其在工作状态下的化学稳定性亦不如磺酸根。

实际上，目前所有报导的质子交换膜高分子材料都是基于水合质子在其内部扩散的机制而设计的。这就使质子交换膜高分子材料中传输质子的官能团(磺酸根、磷酸根、杂多酸根等)的选择受到限制，同时也限制了高分子主链的选择，增加了合成的难度，使PEM的价格居高。

另外，质子在质子交换膜高分子材料中的扩散必须要有一定量的水作为介质，这使PEM的工作条件也受到很大局限：燃料电池工作温度必须控制在100℃以下，当超过100℃时，质子交换膜内的水蒸发，严重降低质子传输效率，因此所有的燃料电池都把工作温度控制在80℃左右。这意味着燃料电池产生总能量约50％必须被用于冷却燃料电池工作系统，以移去燃料电池自身产生的热量，这将大大降低燃料电池的比功率。

杯芳烃是由苯酚与甲醛在碱性条件下缩合而成的环状化合物，因其结构类似于希腊圣杯而得名，分子具有一个由苯环围成的杯状疏水空腔，习惯上，杯芳烃的对叔基位置成为上沿，酚羟基位置为下沿。杯芳烃衍生物是一类优良的人工合成的大环受体化合物，具有分子识别及物质传输等超分子特性，在一定的化学环境中能够识别质子，传输质子。他们作为一类新型的环形配体，与许多离子型和非离子型客体均能形成稳定的络合物或包合物等超分子化合物。

发明内容

本发明的目的是提供一种氢氧燃料电池用的质子交换膜。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现

质子交换膜，其特征在于，包括衬底支撑膜和含有杯芳烃或杯芳烃衍生物的聚合物。

其中，所述的质子交换摸为液膜或固膜。

其中，所述的衬底支撑膜孔径为50-200nm，膜厚度为20-100微米。

其中，所述质子交换膜包括衬底支撑膜和1-10层由杯芳烃或含有杯芳烃衍生物的聚合物制成的固膜。

其中，所述聚合物为杯芳烃衍生物与可共聚的单体聚合而成的聚合物。

其中，所述的杯芳烃衍生物为杯(4)芳烃衍生物，杯(6)芳烃衍生物、杯(8)芳烃衍生物。

其中，所述的杯芳烃衍生物为含有可聚合基团的杯芳烃衍生物。

其中，所述的可聚合基团位于杯芳烃衍生物的上沿。

其中，所述聚合物含有结构式为式I的物质：

I

其中，j＝4、6或8且p为0-(j-1)的任一整数；R¹为含有碳碳双键的基团。

其中，所述的R¹为含有活性碳碳双键的基团。

其中，所述的R¹为含有共轭双键的基团。

其中，所述的共轭双键为碳碳双键和羰基。

其中，所述的共轭双键为碳碳双键和羰基，且R¹不是酰胺基。

其中，所述的R¹选自丙烯酰胺基、烯丙基、乙烯氧基中的一种。

其中，所述聚合物含有结构式为式II的物质，