[发明专利]一种燃料电池用酸碱共混膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池用酸碱共混膜，是以降冰片烯二酸酐和己二胺制备聚合物单体，再以所述聚合物单体与降冰片烯发生开环易位聚合反应，制备得到无规聚合的平均数均分子量160000～180000的碱性有机聚合物，按照90～97.5wt%Nafion树脂和2.5～10wt%碱性有机聚合物的组成获得由碱性有机聚合物溶液和Nafion树脂溶液组成的混合溶液，使用所述混合溶液形成具有下述结构式表示结构的酸碱共混膜。

技术领域

本发明属于膜材料制备技术领域，涉及一种燃料电池用质子交换膜，特别是涉及一种可用于燃料电池的酸碱共混膜，以及该酸碱共混膜的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种将化学能转换为电能的新型发电装置。其采用可再生能源氢气与氧气为动力原料，具有环境友好、高能量转换效率、高比功率等优点，目前已被广泛应用在航天航空、新能源汽车等各个领域。

膜电极作为燃料电池的最核心部件，起着提供电化学反应场所以及传导氢离子的作用，直接决定了燃料电池的成本、性能以及寿命。膜电极通常由扩散层、催化层和质子交换膜组成，是三合一结构的组件。其中，质子交换膜又是膜电极中最重要的部件。

目前使用最多的质子交换膜是美国杜邦公司生产的Nafion系列膜。这种膜的机械强度高，化学稳定性好，低温时质子传导率优越，电流密度大。但是，在高温时，Nafion膜易发生化学降解，并且质子传导性也会变差；尤其是在用于甲醇燃料电池中时，极易发生甲醇渗透。同时，Nafion膜的成本高昂，这些都一直阻碍着Nafion膜在燃料电池中的广泛使用。

为此，在Nafion膜中引入保水物质，例如无机氧化物（二氧化硅、金属氧化物），杂多酸和有机聚合物等，是提高Nafion膜在高温下的离子电导率的有效策略。

虽然二氧化硅颗粒的价格低廉、合成方法简单以及形貌可控，成为常用的Nafion膜改性材料，但由于二氧化硅会引起离子迁移及聚集，从而会对膜性能起到消极作用。而过多杂多酸的引入，也会导致膜的尺寸稳定性下降。

因此，引入结构稳定的聚合物，是提高Nafion膜电化学性能、降低成本的有效方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池用酸碱共混膜及其制备方法，通过在Nafion膜中引入碱性有机聚合物，在降低质子交换膜生产成本的前提下，提高质子交换膜在高温下的电化学稳定性。

本发明提供的燃料电池用酸碱共混膜是由90～97.5wt%的Nafion树脂和2.5～10wt%的碱性有机聚合物混合组成的。

所述的碱性有机聚合物是由以下式（I）表示的重复单元和下式（II）表示的重复单元组成的平均数均分子量为160000～180000的无规聚合物。

其中，x和y为碱性有机聚合物中重复单元（I）与重复单元（II）的摩尔比，其比例为1.8～2∶1。

具体地，本发明所述的燃料电池用酸碱共混膜具有下述结构式（III）表示的结构。

进而，本发明还提供了一种用于制备所述燃料电池用酸碱共混膜的方法，所述方法包括：

制备碱性有机聚合物，所述碱性有机聚合物是由式（I）表示的重复单元和式（II）表示的重复单元组成的平均数均分子量为160000～180000的无规聚合物；

获得由碱性有机聚合物溶液和Nafion树脂溶液混合组成的混合溶液；以及

使用所述混合溶液形成酸碱共混膜。

需要说明的是，本发明上述提供的是一种制备所述酸碱共混膜的典型的方法，但并非是唯一的方法。