[发明专利]一种高温质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明提供一种高温质子交换膜的制备方法，包括如下步骤：一)双羟乙基砜‑4,5‑二羧基咪唑缩聚物的制备，二)缩聚物的改性，三)浇注成膜，四)磷酸掺杂。本发明还公开了根据所述高温质子交换膜的制备方法制备得到的高温质子交换膜及利用所述高温质子交换膜作为聚电解质膜的质子交换膜燃料电池。本发明制备得到的高温质子交换膜与现有技术中的高温质子交换膜相比，质子传导率更高、价格更加低廉、甲醇渗透率更低、机械力学性能更好，稳定性和耐高温性能更佳，使用更加安全环保。

技术领域

本发明属于聚电解质材料技术领域，涉及一种燃料电池部件，具体地说，涉及一种高温质子交换膜及其制备方法。

背景技术

近年来，环境问题和能源问题仍然是制约社会经济发展的主要因素。为了解决这一问题，各种清洁新能源装置如雨后春笋般涌现。随着新能源汽车的逐渐商业化与普及，作为新时代清洁能源装置之一，能为新能源汽车提高动力源的燃料电池成为业内研究开发的热点。燃料电池是一种能直接将化学能转化为电能的能源装置，具有启动快、续延时间长、比功率与比能量高、绿色环保的优势。

目前，最常见的燃料电池是质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池主要包括质子交换膜、电极及催化剂等关键部件，其中，质子交换膜在质子交换膜燃料电池中起到阻隔燃料和传递质子的双重作用，其性能的好坏直接影响着燃料电池的能量转化效率及循环使用寿命。由美国杜邦公司生产的Nafion膜是目前应用最为广泛的一种高性能质子交换膜，但这种膜只能在低温保湿条件下使用，燃料电池实际工作环境经常会超过80℃，在此温度以上时，这种膜内吸附保留的水分会挥发，从而降低质子传导率，使得燃料电池工作不稳定，循环使用寿命缩短。另外，这种膜主要依靠进口，价格昂贵，这些不足阻碍了质子交换膜燃料电池在新能源汽车乃至其他装置或其他行业的广泛应用与进一步发展。

现有技术中通常通过在聚合物基膜中添加磷酸或离子液体等质子传导介质来制备能在高温条件下能稳定工作的质子交换膜，这种方法能有效提高质子交换膜的使用温度和质子传导率，但由于聚合物基膜吸附能力不强，对磷酸或离子液体这些质子传导介质的束缚能力弱，不能很好的保留磷酸或离子液体这些质子传导介质，经常会由于其泄漏流失问题导致电池能量效率低下、使用寿命下降，甚至存在引发安全事故的隐患。

开发一种价格低廉、质子传导率高、稳定性好的高温质子交换膜，以促进燃料电池在高温环境下的使用与发展势在必行。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高温质子交换膜及其制备方法，该制备方法简单易行，对设备及反应条件要求不高，原料易得，价格低廉，制备得到的高温质子交换膜与现有技术中的高温质子交换膜相比，质子传导率更高、价格更加低廉、甲醇渗透率更低、机械力学性能更好，稳定性和耐高温性能更佳，使用更加安全环保。

为达到以上目的，本发明提供一种高温质子交换膜的制备方法，包括如下步骤：

1)双羟乙基砜-4,5-二羧基咪唑缩聚物的制备：将双羟乙基砜、4,5-二羧基咪唑、催化剂溶于甲苯中，并加入到带有分水器的圆底烧瓶中，在氮气或惰性气体氛围下80-90℃下搅拌反应2-3小时，在温度110-130℃下搅拌反应6-8小时，后旋蒸除去溶剂，并用水洗涤产物3-5次，再用乙酸乙酯洗涤4-8次，最后置于真空干燥箱中80-90℃下烘10-15小时；

2)缩聚物的改性：将经过步骤1)制备得到的缩聚物、2-氯乙基甲基磺酸、碱性催化剂溶于高沸点溶剂中，在70-80℃下搅拌反应4-6小时，然后在水中沉出，并用水洗5-8次后置于真空干燥箱中100-110℃下烘10-15小时；

3)浇注成膜：将经过步骤2)制备得到的改性后的缩聚物溶于二甲亚砜，并向溶液中加入金属有机框架，超声15-20分钟，后浇注在聚四氟乙烯板上，并置于70-80℃的鼓风干燥箱中烘8-12小时，得到聚合物膜；