[发明专利]一种应用于甲醇燃料电池的质子交换膜及其制备方法

说明书

一种应用于甲醇燃料电池的质子交换膜及其制备方法，涉及功能高分子膜材料。选取基底膜进行处理和预辐射；对辐照膜进行接枝、交联；对接枝交联膜进行磺化水解，制得应用于甲醇燃料电池的质子交换膜。制作成本低，无论是基膜还是过程中使用的试剂价格都比较廉价，在大批量生产时可以大大节约成本。制备方法简单，步骤较少，在基底膜上直接辐射接枝，制备出的交换膜较纯净，杂质少。其电导率较高，含水量高，热稳定好，而且耐酸碱腐蚀。在超纯水中30℃时测试，其电导率可以达到0.098S/cm，含水率可达24.56％；优于在30℃下Nafion117膜的电导率为0.060S/cm。

技术领域

本发明涉及功能高分子膜材料，尤其是涉及一种应用于甲醇燃料电池的质子交换膜及其制备方法。

背景技术

随着社会的发展，能源与环保问题要求越来越高，燃料电池以其高能源利用率和零排放环保优势一直保持较高的研究热度，其中甲醇燃料电池易于燃料的添加和保存，具有较好的前景。但是目前市场能应用于电池的质子交换膜不多，最常见的为杜邦公司生产的Nafion膜，其应用于甲醇燃料电池还存在高甲醇渗透、高成本等一系列问题。于是一系列能够替换Nafion膜或者解决其缺点的研究开始出现。一般分为两大类：(一)改进膜，1)将Nafion膜进行添加金属离子或者制备成复合膜等，使其具有抗甲醇渗透作用；2)自制质子交换膜进行替换，尝试采取不同的材料聚合，使其具有抗甲醇渗透作用和离子导电作用。(二)改进膜电极，比如改进涂抹催化剂方式多层涂覆；改进碳纸碳布的方法期望能够起到抗甲醇作用。

中国专利CN1738089A公开一种改进Nafion膜来提高抗甲醇能力的方法。制备了钯膜或者钯基合金膜，将膜置于膜电极的阳极或者阴极，或者夹在两个Nafion膜之间来起到阻隔甲醇渗透作用，其中膜的钯含量为70％～100％，膜的厚度为0.05～50μm。在低温和高浓度进料时取得了较好的功率密度。

中国专利CN101615681A的研究表明，将用疏水剂调变过的富空碳粉分层制备到碳布上，制备成带可控微孔通道的扩散层，将其与处理过的质子交换膜，并在膜上涂抹催化剂、粘接剂，一起进行热压制备的膜电极具有抗甲醇渗透作用和实现膜电极内部的水管理，可以提高甲醇燃料的利用率70％以上。

发明内容

本发明的目的在于提供更好的解决甲醇渗透作用，更廉价、更加稳定、具有高离子电导率的能够替代Nafion膜的阻醇质子交换膜，采用辐射接枝、交联制备出的质子交换膜还具有尺寸稳定，操作简单，原料价格低廉，适用于大批量生产等优点的一种应用于甲醇燃料电池的质子交换膜及其制备方法。

所述应用于甲醇燃料电池的质子交换膜的结构式为：

其中，m、n、q、p为聚合度，为不为0的正整数；R1、R2为氢或者小于4的烷烃，X为阳离子，所述阳离子为H⁺、Li⁺、Na⁺等。

所述应用于甲醇燃料电池的质子交换膜的制备方法包括以下步骤：

1)选取基底膜进行处理和预辐射；

2)对辐照膜进行接枝、交联；

3)对接枝交联膜进行磺化水解，制得应用于甲醇燃料电池的质子交换膜。

在步骤1)中，所述选取基底膜进行处理和预辐射的具体方法可为：选取基底膜裁成需要的大小，对其进行丙酮超声清洗，然后再真空干燥，在进行辐照；所述基底膜可选自聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯晴、聚丙烯酰胺、聚乙烯-四氟乙烯聚合物(ETFE)等中的一种，所述辐照的剂量可为20～300KGy。