[发明专利]一种燃料电池质子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料领域，涉及一种燃料电池部件及其制备方法，具体涉及一种燃料电池质子交换膜的制备方法。

背景技术

质子交换膜是燃料电池的核心部件。质子交换膜不仅是隔膜材料，也是电极活性物质(电催化剂)的基底，同时还是一种选择性膜。其性能的优劣直接影响了燃料电池的工作性能。

目前普遍使用的质子交换膜为DuPont公司开发出的Nafion系列膜。它是一种全氟型聚合物膜。由于Nafion膜的甲醇渗透率较高，导致了整个电池的效率下降；同时，其成本较高。

2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)，因其分子内有聚合性的乙烯基以及亲水性的磺酸基，既可进行均聚也可以进行共聚，可以和丙烯腈，丙烯酰胺等水溶性单体，苯乙烯，氯乙烯等非水溶性单体共聚；因其分子含有强阴离子性基团，质子传导性好，且其含有的酰胺基团的屏蔽作用能使分子链具有很好的水解稳定性、耐酸碱性及热稳定性。由于AMPS只能溶解在水和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，因此，通常的制备方法是将AMPS在水中或者DMF中溶液聚合成膜，此方法制备得到的聚合物膜在水中易溶胀，机械强度较差，影响了其在燃料电池中的应用(参见：S.-W.Chuang et al./Journal of Power Sources 168(2007)172-177，文献中，溶剂挥发法得到的PBI膜储能模量仅为600MPa)。

专利号为02103930.5的中国发明专利公开了一种光化学改性制备反应性丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基2-甲基丙磺酸盐共聚物材料的方法，该方法采用特定的光化学试剂，在紫外光作用下，通过与AM/AMPS共聚物发生光化学反应，使之转化为具有反应活性的材料。方法包括溶液法、分散体系法、薄膜法和粉末法。其中，AM/AMPS共聚物中AMPS的含量为1.0～50wt％，光化学试剂的用量为丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基2-甲基丙磺酸盐共聚物总量的0.5～10wt％，反应温度为0℃～30℃，光源为500W～1000W高压汞灯。这些活性共聚物可进一步与多种烯类单体聚合，生成具有不同性能和用途的新材料。在该专利中，并没有公布相关材料作为质子交换膜的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池质子交换膜的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池质子交换膜的制备方法，将可聚合离子液体、可聚合单体、交联剂，以重量比1～7∶3～9∶1～2混合，加入引发剂后，用原位聚合的方法聚合成膜；

上述技术方案中，所述可聚合离子液体选自：中的一种，其中x＝1～8，a、b、c为1～8；

所述可聚合单体选自：苯乙烯、磺化苯乙烯、α-甲基苯乙烯、丙烯腈、乙烯醇、α-甲基丙烯腈、α，β，β-三氟苯乙烯、α-甲基磺化苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯基吡咯烷酮或八氟苯乙烯中的一种或几种；

所述引发剂选自：安息香乙醚、AIBN、双苯碘引发剂其中，X^-选自：为BF₄^-，PF₆^-，CF₃SO₃^-中的一种；

具体地，所述双苯碘引发剂选自：

中的一种。

上述技术方案中，所述离子液体为含有AMPS阴离子结构单元的离子液体，通过AMPS与碱中和制备而成，该技术是本领域属于酸碱中和法，是本领域技术人员公知的比较成熟的制备离子液体的方法，例如：

具体合成步骤为，将AMPS缓慢加入到稍过量的甲基咪唑中，搅拌过夜，然后用无水乙醚洗涤，旋转蒸发除去溶剂，即得到离子液体；

的具体合成步骤为：将AMPS和稍过量的三乙胺混合，搅拌过夜，用无水乙醚洗涤后，旋转蒸发除去多余的无水乙醚，即得到离子液体。

上述技术方案中，所述原位聚合的方法的引发方法可以为热引发或紫外光引发，本领域技术人员可根据引发方法选择相应引发剂。

上述技术方案中，反应时间为10～60min。

进一步的技术方案中，将上述技术方案所得聚合物膜浸泡在酸＝中，将2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)离子液体重新变成2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)的酸状态；所述酸为2＜pH＜5的稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸或醋酸。

本发明同时要求保护上述技术方案所制备得到的质子交换膜。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：