[发明专利]一种高温质子交换膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种高温质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：步骤一、石英基板修饰；步骤二、纳米SiO₂负载；步骤三、反应液的配制；步骤四、高温质子交换膜的制备。本发明还提供了该方法制备得到的高温质子交换膜及其在燃料电池中的应用。本发明将引发剂修饰在石英基板上，然后进行纳米SiO₂负载，提升膜的综合性能和低湿条件下的质子传导性能，之后再进行原子转移自由基聚合，同时2‑（3‑吡啶基）苯并咪唑中的吡啶基作为配位基团参与反应，从而构筑了更加有序的质子传输通道，制得的高温质子交换膜具有良好的高温电导率和较低的溶胀率，能够同时适用于高温水合状态和高温低湿状态下的质子传导。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种高温质子交换膜的制备方法。

背景技术

传统的PEMFC质子交换膜广泛采用全氟磺酸树脂成膜，该膜的质子传导性能严重依赖于液态水，一般工作在60～90℃，温度过高会导致PEM脱水，质子传导率急剧下降，电池性能严重衰减。因此开发耐高温质子交换膜燃料电池，提高PEMFC的工作温度是解决传统PEMFC环境耐受性差、性能衰减等问题的有效措施之一。

因此研发能够同时适用于水合状态和高温低湿条件，机械性能好且具有高质子传导性能的质子交换膜具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有质子交换膜的不足，本发明提供一种溶胀率低、质子传导率高、机械强度好的高温质子交换膜的制备方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种高温质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、石英基板修饰：将石英基板进行亲水处理，再用硅烷化的引发剂进行修饰，得到修饰有引发剂的石英基板；

步骤二、纳米SiO₂负载：将修饰有引发剂的石英基板置于真空溅射镀膜仪的底盘上，采用SiO₂陶瓷作为靶材，氩气氛中溅镀；

步骤三、反应液的配制：在极性有机溶剂中加入PAMPS单体，搅拌溶解，再依次加入交联剂、催化剂和配位剂，充氮除氧，搅拌，得反应液；

步骤四、高温质子交换膜的制备：将步骤三配制的反应液通过浇铸或旋涂的方式在石英基板表面成膜，充氮除氧，氮气氛中70℃油浴反应，反应结束后，取出并清洗石英基板，硫酸溶液中将膜揭掉，去离子水冲洗，真空干燥即得高温质子交换膜。

进一步地，步骤一中石英基板亲水处理为水虎酸即浓硫酸和双氧水体积比为2:1的混合液处理。

进一步地，步骤一中硅烷化的引发剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷和2-溴异丁酰溴反应制备得到，结构式为

进一步地，步骤二中所用SiO₂陶瓷靶材为为高纯高致密二氧化硅，纯度大于99.99％。

进一步地，步骤二中靶材与底盘的垂直距离为10～12cm，溅镀功率80～100W，溅镀时间5～15s。

进一步地，步骤三中所述极性有机溶剂为所述的极性溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)、丙酮或丁酮中的一种或多种。

进一步地，步骤三中所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，用量为PAMPS单体质量的1％～4％。

进一步地，步骤三中所述催化剂为溴化亚铜或氯化亚铜，用量为PAMPS单体质量的5％～10％。

进一步地，步骤三中所述配位剂为2-(3-吡啶基)苯并咪唑，用量为PAMPS单体质量的5％～10％。

进一步地，步骤三中充氮除氧后需在室温下搅拌0.5h，使催化剂与配位剂充分配位。