[发明专利]一种具有高质子传导性和机械性能的全氟磺酸树脂粘结剂及其制备方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种具有高质子传导性和机械性能的粘结剂，由四氟乙烯、两种不同结构的短侧基磺酰氟烯醚单体多元共聚合而成的制备方法。使用本发明制备的粘结剂制备而成的CCM催化层具有耐各种化学介质性能、高离子交换容量、高导电性、高的机械强度和机械稳定性以及较长的使用寿命的特点，适合在燃料电池或者高温燃料电池中使用。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种具有高质子传导性和机械性能的粘结剂的制备方法。

背景技术

在广泛的燃料电池应用中，最普遍的技术是质子交换膜燃料电池。在质子交换膜燃料电池大规模商业化道路上，仍有许多技术和市场相关的问题需要克服。这些挑战包括降低燃料电池成本、选择合适的燃料源和基础设施，以及在约100℃的高温下提高其性能。催化剂涂层CCM(catalys coated membrane)的出现使得燃料电池在降低成本和商业化的方面有了更大的可能性。而粘结剂是CCM中重要的一个组成部分，它与水和Pt/C催化剂形成三相界面成为反应的主要场所，所以粘结剂对CCM的性能至关重要。先前人们使用PTFE充当粘结剂，这时的CCM质子传输等性能并不优异，后来人们采用Nafion代替PTFE充当粘结剂，发现CCM的性能出现了较大的提升，虽然Nafion较PTFE出现了较大的性能提升，但是对于如何选择不同类型的树脂粘结剂，如何提高粘结剂的性能和寿命还有待研究。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种具有高质子传导性和机械性能的全氟磺酸树脂粘结剂的制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采取了如下技术措施：

一种全氟磺酸树脂粘结剂，主要含有以下式(1)所示的重复单元：

其中a、b＝3-15的整数，a'、b'＝1-3的整数，x/(x+y)＝0.2-0.7；y/(x+y)＝0.3-0.8。

按上述方案，所述的全氟磺酸树脂粘结剂的制备方法：由四氟乙烯单体和两种不同结构的短侧基磺酰氟烯醚单体A、B多元共聚合，得到全氟磺酸树脂粘结剂；其中，短侧基磺酰氟烯醚单体A的结构式为：F₂C＝CF-O-CF₂-CF₂-SO₂F，短侧基磺酰氟烯醚单体B的结构式为：F₂C＝CF-O-CF₂-CF₂-CF₂CF₂-SO₂F。其中，四氟乙烯单体占四氟乙烯单体、单体A和B三者之和的摩尔分数为50％～85％；短侧基磺酰氟烯醚单体A占单体A、B两者之和的20％～80％。

进一步地，共聚合反应的反应时间为1～8小时，反应温度为10～80℃，反应压力为2～10MPa。

进一步地，共聚和反应在引发剂的作用下进行，引发剂选自N₂F₂、全氟烷基过氧化物和过硫酸盐等中的一种或多种。其中，所述全氟烷基过氧化物选自过氧化全氟烷基酰基化合物、过氧全氟烷氧基酰基化合物、过氧化部分含氟烷基酰基化合物和过氧化部分含氟烷氧基酰基化合物等中的一种或多种；所述过硫酸盐为选自过硫酸铵盐、碱金属过硫化物和碱土金属过硫化物等中的一种或多种。

本发明还提供一种具体地全氟磺酸树脂粘结剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)短侧基磺酰氟烯醚单体A、B和乳化剂、水混合于反应釜中，短侧基磺酰氟烯醚单体A、B两者在水中的质量百分比浓度均为5-30％，乳化剂在水中的质量百分比浓度为0.1-20％；

(2)通过气体计量槽向步骤(1)所述反应釜内充四氟乙烯单体至压力为2-10MPa；然后将反应釜升温至10～80℃，通过计量泵向其中继续加入引发剂引发反应进行，并持续向反应釜补加四氟乙烯单体和引发剂，保持反应釜反应压力为2-10MPa，反应时间为1～8小时；