[发明专利]一种全氟质子交换膜及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种全氟质子交换膜及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：(1)将聚氨酯预聚体、环氧树脂和全氟磺酸树脂混合，加入三乙胺，在去离子水中剪切乳化得到乳液；(2)将乳液与乙二胺混合，经干燥及固化处理得到所述全氟质子交换膜。聚氨酯预聚体和环氧树脂聚合得到聚氨酯/环氧树脂互穿聚合物，在全氟磺酸树脂中原位形成三维拓扑状结构的聚合物复合膜，这样全氟磺酸质子膜的机械强度大大提高、渗氢电流密度大大降低。

技术领域

本发明属于功能高分子材料领域，涉及一种全氟质子交换膜及其制备方法和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池PEMFC是一种将化学能通过电化学反应直接转化为电能，高效、环境友好的发电装置。具有启动快，工作温度低，无噪声和无污染等优点，在汽车、家用住宅、中小型发电站和便携式装置中有着广泛的应用前景。

质子交换膜，在其中起到传递质子、阻隔阴极和阳极反应气体、阻隔电池内部电子传递的作用，是质子交换膜燃料电池的关键材料。目前使用的全氟磺酸质子交换膜，在80℃和适当湿度下，虽然具有良好的质子传导性，但其机械强度差、化学稳定性差、渗氢电流密度大。

CN101692487A公开了一种燃料电池用低透气型质子交换膜的制备方法，用超声浸渍-喷涂结合的方法，在膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的表面上复合全氟磺酸树脂，其中超声浸渍是将膨体聚四氟乙烯微孔薄膜浸渍在用超声波震荡的全氟磺酸树脂溶液中；喷涂是将超声浸渍后的膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的两侧表面反复进行覆盖喷涂上料至质子交换膜的厚度达到预定要求。

CN101667648A公开了一种燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法，包括在膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的表面涂敷全氟磺酸树脂溶液，其制备方法包括：通过浸渍的方式，使全氟磺酸树脂成份和二氧化硅成份，填充到膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的微孔中，通过喷涂全氟磺酸树脂成份和二氧化硅成份的方式，控制复合质子交换的厚度。

上述方案将全氟磺酸树脂溶液涂敷在膨体聚四氟乙烯两侧固化成膜，这是利用了膨体聚四氟乙烯机械强度高的缘故。但是膨体聚四氟乙烯和全氟磺酸树脂相容性差，必须事先做表面处理，工艺比较复杂；而且渗氢电流大的问题，因此，开发一种工艺简单且渗氢电流小的全氟质子交换膜是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全氟质子交换膜，本发明通过使用聚氨酯预聚体、环氧树脂和全氟磺酸树脂溶液混合，其中聚氨酯预聚体和环氧树脂聚合得到聚氨酯/环氧树脂互穿聚合物，在全氟磺酸树脂中原位形成三维拓扑状结构的聚合物复合膜，这样全氟磺酸质子膜的机械强度大大提高、渗氢电流密度大大降低。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种全氟质子交换膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将聚氨酯预聚体、环氧树脂和全氟磺酸树脂混合，加入三乙胺，在去离子水中剪切乳化得到乳液；

(2)将乳液与乙二胺混合，经干燥及固化处理得到所述全氟质子交换膜。

本发明通过将聚氨酯预聚体、环氧树脂和全氟磺酸树脂溶液混合，其中聚氨酯预聚体和环氧树脂聚合得到聚氨酯/环氧树脂互穿聚合物，在全氟磺酸树脂中原位形成三维拓扑状结构的聚合物复合膜，这样全氟磺酸质子膜的机械强度大大提高、渗氢电流密度大大降低。

优选地，步骤(1)所述聚氨酯预聚体通过如下方法制得：

将甲苯二异氰酸酯与聚己二酸丁二醇酯和/或聚四氢呋喃二元醇混合，加热反应后，降温加入二羟甲基丙酸、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮和桂酸二丁基锡进行扩链反应，得到聚氨酯预聚体。

优选地，所述加热反应的温度为80～90℃，例如：80℃、82℃、85℃、88℃或90℃等。

优选地，所述加热反应的时间为2～4h，例如：2h、2.5h、3h、3.5h或4h等。