[发明专利]一种用于燃料电池的交联结构侧链磺化聚合物质子交换膜的制备方法

说明书

本发明属于膜材料技术领域，公开了一种用于燃料电池的交联结构侧链磺化聚合物质子交换膜的制备方法，将丙烯基磺酸钠与聚乙二醇丙烯酸酯充分溶解于溶剂中，同时加入引发剂至反应体系中，反应得到侧链磺化聚甲基丙烯酸乙二醇酯‑聚丙烯基磺酸钠共聚物；将聚偏氟乙烯与六氟丙烯共聚物、侧链磺化聚甲基丙烯酸乙二醇酯‑聚丙烯基磺酸钠共聚物分别溶解于溶剂中，然后共混，加入交联剂和引发剂，制成薄膜，固化得到三维网络结构侧链磺化聚合物质子交换膜。本发明在保障隔膜具备较高离子传导性能的前提下，提高膜材料的机械性能及化学稳定性，降低体系溶胀水平，从而提高燃料电池的综合使用性能。

技术领域

本发明涉及新能源电池技术领域，特别涉及一种适用于制备氢氧燃料电池膜电极的，新型交联结构侧链磺化聚合物质子交换膜的制备方法。

背景技术

氢氧燃料电池是一种以氢气作为燃料，工作温度在30℃～100℃之间的电化学能量转换装置，具有能量转化率高、无污染、环境友好等优点。作为世界能源消耗大国，我国越来越重视氢氧燃料电池(FC)的技术攻关与产品普及，出台了一系列产业鼓励政策，加速推进燃料电池中关键零部件的研发及产业化工作。膜电极是燃料电池中的核心部件，起着传递质子、担载催化剂、隔绝气体的关键作用，其成本约占燃料电池电堆总成本的60％以上。目前，应用于燃料电池的质子交换膜主要为全氟磺酸膜，主流产品是美国Dupont公司生产的Nafion系列膜材料，具有质子传导率高、机械性能好、耐腐蚀等优点；缺点是制备过程污染高、产品价格昂贵，而我国生产燃料电池所需要的质子交换膜几乎全部依赖进口。多年来，各国科学家对Nafion膜材料的替代产品进行了深入研究，提出了各种磺化聚合物分子模型，合成了大量聚合物体系，但制备的膜材料综合性能仍不理想，结构与材料性缺陷问题突出，主要体现在以下几个方面：

1.由主链磺化聚合物(如SPEEK，SPI等)材料制备的质子交换隔膜，通常存在质子传导率低、吸水溶胀率高等问题，过高的热变形温度使得材料难与催化剂进行复合。主链磺化聚合物由于自身磺化基团的分布问题，难以形成明确的亲水/疏水区域，在高IEC值情况之下，膜的体积溶胀率高达100％以上，难以满足燃料电池的实际使用需求。

2.“高分子-无机离子导体”复合膜通常存在稳定性差，材料分布不均匀等缺点，在大规模加工及产品使用方面难以长期保持性能。无机离子导体虽然能够提高膜材料的质子传导性能，但通常其添加量及离子分布方面难以进行有效控制，极易出现粒子团聚，部分区域吸水溶胀过大，抑或部分区域传导率过低，在组成膜电极后极易出现面电流/面电压不均匀等现象，难以发挥应有作用。

3.制备全氟磺酸膜材料对我国氟化工业的工艺要求较高，且关键技术瓶颈并未完全突破。就我国企业当前实际情况而言，在不要求分子量及产品性能的情况下，即使能制备全氟磺酸系列膜产品，单位产出成本仍远高于国外同类型产品，并且污染高，材料的后处理与环保工作并无有效处理手段。

质子交换膜燃料电池工作温度通常在30℃～100℃，作为燃料电池中的核心部件，电解质膜材料是否具有优异的综合性能及合适的成本价格，将直接影响到燃料电池的使用推广。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提供了一种用于燃料电池的交联结构侧链磺化聚合物质子交换膜的制备方法，从合成角度出发，通过分子设计制备适用于燃料电池的新型交联结构侧链磺化聚合物质子交换膜，在保障隔膜具备较高离子传导性能的前提下，提高膜材料的机械性能及化学稳定性，降低体系溶胀水平，从而提高燃料电池的综合使用性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于燃料电池的交联结构侧链磺化聚合物质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、将丙烯基磺酸钠(ALS-SAS)与式I所示的聚乙二醇丙烯酸酯(PEG-MEA)充分溶解于溶剂中，同时加入引发剂，反应得到侧链磺化聚甲基丙烯酸乙二醇酯-聚丙烯基磺酸钠共聚物(P-MEASAS-PEGLS)。