[发明专利]一种具有亲水/疏水互穿网络结构的质子交换膜的制备方法

说明书

本发明属于质子交换膜燃料电池部件技术领域，特别涉及一种具有亲水/疏水互穿网络结构的质子交换膜的制备方法：将亲水性质子型离子液体、疏水性离子液体、离子液体助剂、离子液体交联剂混合均匀配制成微乳液，进行微乳液聚合制备得到质子交换膜。本方案促进了疏水性离子液体和亲水性离子液体的相容性，所有反应物均参与到聚合反应中，避免了小分子在聚合物膜中游离析出，促进了成膜后的离子传导功能，提高了质子交换膜的电导率。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池部件技术领域，特别涉及一种具有亲水/疏水互穿网络结构的质子交换膜的制备方法。

背景技术

质子交换膜是质子交换膜燃料电池的关键组件，起到传导质子和阻隔燃料的双重作用，其性能的好坏直接影响着燃料电池的使用性能和寿命。目前，应用最广的质子交换膜是以Nafion膜为代表的全氟磺酸膜，Nafion膜具有优异的化学稳定性和较高的电导率。

然而，Nafion膜存在的一个主要问题是：在使用温度超过80℃时，膜内的水份会由于蒸发速度加快而脱水，导致膜电阻升高和质子传导能力急剧下降，这一问题严重阻碍了质子交换聚合物膜的应用。为此，现有技术中采用复杂的纯水增湿辅助系统来增湿燃料气和氧化剂，以增湿质子交换膜，这一方面导致了电池重量、复杂性和成本的增加，同时也未能根本解决电池在超过80℃时性能下降的问题。为此，科研工作者都在积极合成制备价格低廉性能良好的新型质子交换膜作为Nafion膜的替代品。

发明内容

本发明提供了一种具有亲水/疏水互穿网络结构的质子交换膜的制备方法：将亲水性质子型离子液体、疏水性离子液体、离子液体助剂、离子液体交联剂混合均匀配制成微乳液，进行微乳液聚合制备得到质子交换膜，

其中，亲水性质子型离子液体、疏水性离子液体、离子液体助剂、离子液体交联剂混合时的质量比为5～40：5～40：20～55：5～20，

其中，亲水性质子型离子液体为中的一种或两种的混合，X为HSO₄、H₂PO₄、或CF₃SO₃，

疏水性离子液体为中的一种或两种的混合，n为0～10的整数，Y为PF₆或(CF₃SO₂)₂N，

离子液体助剂为m为10～18的整数，Z为Br、Cl、BF₄、HSO₄、H₂PO₄、PF₆或CF₃SO₃中的一种，

该离子液体助剂的制备工艺为：

(1)将卤代醇溶解于溶剂中，冰水浴下向其中加入三乙胺并充分混合后，于氮气保护下，向该混合体系中滴加甲基丙烯酰氯，再于室温(25℃)下反应48小时；去除溶剂，将产物萃取、水洗、干燥后，以石油醚与丙酮体积比1:1为洗脱剂过中性氧化铝(Al₂O₃)柱子，收集第一产物即为卤代烷基丙烯酸酯；

(2)氮气保护下将步骤(1)中制得的卤代烷基丙烯酸酯与1-甲基咪唑混合均匀，40℃下反应48小时，将产物用乙醚沉淀的方法纯化，干燥后得到本方案所需的离子液体助剂；

离子液体交联剂为Z为Br、Cl、BF₄、HSO₄、H₂PO₄、PF₆或CF₃SO₃中的一种，p为1～12的整数，-R为-H，-CH₃，-SH，-CH₂CH₃，-CH(CH₃)₂，中的一种；