[发明专利]一种燃料电池用含氟离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明属于功能高分子复合材料领域，具体涉及一种燃料电池用含氟离子交换膜及其制备方法。一种燃料电池用含氟离子交换膜，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，过渡金属元素与侧链上的功能基团形成络合键。本发明成膜树脂侧链上功能基团之间通过氢键和静电作用，提高了质子交换膜的高温导电性、弹性模量、降低了H₂透过率；另外，功能基团具有络合作用，与具有自由基消除作用的过渡金属离子形成络合物从而保证这些功能材料在整个过程中不发生流失。

技术领域

本发明属于功能高分子复合材料领域，具体涉及一种燃料电池用含氟离子交换膜及其制备方法。

背景技术

当今世界正面临着环境污染加重、全球气温升高、石油资源枯竭等问题，为了保护我们赖以生存的家园，实现可持续发展，发展新能源势在必行。质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)作为新能源资源之一，是将化学能转化为电能的一种能量转化装置，是一种绿色环保、高效的发电技术，尤其其在汽车行业的应用，被认为是新能源汽车的终极状态。质子交换膜(Proton exchange membrane，PEM)作为PEMFC的关键材料之一，决定着PEMFC的性能优劣。在燃料电池内部，质子交换膜一方面起着阻隔阴阳极燃料的作用，另一方面，还能够传导质子阻隔电子。全氟磺酸质子交换膜作为一种高性能的燃料电池膜，具有质子传导率高、化学稳定性好、力学性能强的优点，被广泛的应用到新能源领域。全氟磺酸质子交换膜由全氟磺酸树脂成膜后得到，化学式为B的全氟磺酸树脂是四氟乙烯单体和全氟磺酸乙烯基醚单体的共聚物。

虽然全氟磺酸质子交换膜得到了广泛商业化应用，但仍然存在一些问题，如高温条件下的质子导电性差、输出功率低、燃料透过率高、膜缺陷等。全氟磺酸树脂的结构决定了其很难实现膜和树脂的化学改性，文献中报道的全氟磺酸膜的改性，往往是将树脂溶液与改性剂通过物理混合，然后成膜[Unal Sen,International Journal of HydrogenEnergy,33(2008)2808-2815；Byungchan Bae,Heung Yong Ha,Journal of theElectrochemical Society,152(7)A1366-A1372]。这种方法主要依靠物理作用(如氢键、静电作用等)，因此改性膜稳定性差，使用过程中往往导致改性剂泄露。据报道，可通过全氟磺酸树脂侧链上的叔碳C-F键实现原子转移自由基聚合(Atom transfer radicalpolymerization，ATRP)，对全氟磺酸树脂进行化学接枝聚合。该法既丰富了原子转移自由基聚合的方法，又能够实现对全氟磺酸膜的化学改性。通过该法制备的全氟磺酸树脂具有以下特征：1.树脂的主结构和化学组成不发生变化；2.接枝聚合主要发生在树脂结构的侧链上；3.树脂侧链上可以含有2种或2种以上的功能基团；4.树脂功能化可设计性强。具体的讲，为提高全氟磺酸膜在高温条件下的导电性能，有研究表明氮杂环化合物掺杂到质子交换膜中[Unal Sen,International Journal of Hydrogen Energy,33(2008)2808-2815；Byungchan Bae,Heung Yong Ha,Journal of the Electrochemical Society,152(7)A1366-A1372]，可有效提高质子交换膜的高温导电性，降低H₂或CH₃OH的渗透性。该法虽然简单，但在使用过程中往往会导致含氮化合物泄露。