[发明专利]一种燃料电池用含氟离子交换膜及其制备方法

权利要求书

1.一种燃料电池用含氟离子交换膜，其特征在于，该膜的成膜树脂具有全氟主链，侧链含有多个功能基团，其中至少一个功能基团具有离子交换功能；该膜中含有具有自由基消除作用的过渡金属元素或稀土元素，过渡金属元素或稀土元素与侧链上的功能基团形成络合键；所述成膜树脂侧链上的除具有离子交换功能的功能基团外的与具有自由基消除作用的过渡金属离子或稀土金属离子形成络合物的功能基团是杂原子芳环、含氮杂环、含氧杂环或含氮氧杂环；

所述稀土元素是镧、钌或铈。

2.根据权利要求1所述的燃料电池用含氟离子交换膜，其特征在于，所述成膜树脂侧链上的具有离子交换功能的功能基团是磺酸基团、羧酸基团、亚磺酸基团、膦酸基团或季铵基团。

3.根据权利要求1所述的燃料电池用含氟离子交换膜，其特征在于，所述过渡金属元素是锰。

4.根据权利要求1所述的燃料电池用含氟离子交换膜，其特征在于，所述杂原子芳环中的杂原子基团是氨基、羟基、羧基、醛基或肟基；所述含氮杂环是咪唑基、吡咯基、嗪基、吡嗪基、哌嗪基、吡啶基、喹啉基、羟基喹啉基、联吡啶基、嘧啶基、卟啉基或苯并吲哚；所述含氧杂环是冠醚基、吡喃基、呋喃基或四氢呋喃基；所述含氮氧杂环是噁唑基、噁嗪基或氮穴醚基。

5.如权利要求1～4任意一项所述的燃料电池用含氟离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述成膜树脂的制备方法是将化学式为A的含有离子交换基团的全氟离子交换树脂与含有除离子交换基团外的与具有自由基消除作用的过渡金属离子或稀土金属离子形成络合物的功能基团的乙烯基单体通过原子转移自由基聚合制备，具体方法如下：

其中，n＝0或1；p＝2～5；x＝1.5～14；M＝-SO₃H，-COOH，-SO₂H，-PO₃H₂；

(a)将全氟离子交换树脂分散于溶剂，溶剂是DMF、NMP、DMSO、DMAC、1～5个碳链的醇、1～5个碳链的醇的水溶液、1～18个碳链的脂肪酸、含氟脂肪酸或1～6个碳的氰基化合物；

(b)称取一定量的乙烯基单体和配体加入(a)制备的溶液中，所用配体为含N、O、P的配体；

(c)将(b)中的溶液除氧，快速加入一定量的催化剂，并除氧到小于5ppm，所用催化剂为CuCl或CuBr；

(d)将(c)中的溶液在一定温度和压力下进行反应；

(e)将(d)中反应后的溶液通过离子交换、透析、干燥得到所述成膜树脂。

6.根据权利要求5所述的燃料电池用含氟离子交换膜的制备方法，其特征在于，将成膜树脂分散到溶剂中，加入一定量的金属离子化合物，搅拌形成均一的分散液；将上述分散液通过浇注或丝网印刷方式制成一定厚度的湿膜，湿膜在50～200℃下干燥得到5～200μm的含氟离子交换膜。

7.根据权利要求6所述的燃料电池用含氟离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述含氟离子交换膜的厚度为5～50μm。

8.根据权利要求6所述的燃料电池用含氟离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述溶剂的固含量为5～50％。

9.根据权利要求6所述的燃料电池用含氟离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述成膜树脂与金属离子化合物的摩尔比为100:0.001～0.1。

10.根据权利要求5所述的燃料电池用含氟离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述全氟离子交换树脂含有的离子交换基团是磺酸基团、羧酸基团、亚磺酸基团、膦酸基团或季铵基团。