[發(fā)明專利]一種燃料電池用含氟離子交換膜及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611246614.3
• 申請日: 2016-12-29
• 公開（公告）號: CN106654328B
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發(fā)明（設計）人: 唐軍柯;閆先明;杜鵑;孔亮;劉威;曹原
• 申請（專利權）人: 山東東岳未來氫能材料有限公司
• 主分類號: H01M8/1039
• 分類號: H01M8/1039;H01M8/1081;H01M8/1088;C08F261/06;C08F226/06;C08F212/14;C08F220/32
• 代理公司: 青島發(fā)思特專利商標代理有限公司 37212
• 代理人: 耿霞

本發(fā)明屬于功能高分子復合材料領域，具體涉及一種燃料電池用含氟離子交換膜及其制備方法。一種燃料電池用含氟離子交換膜，該膜的成膜樹脂具有全氟主鏈，側(cè)鏈含有多個功能基團，其中至少一個功能基團具有離子交換功能；該膜中含有具有自由基消除作用的過渡金屬元素，過渡金屬元素與側(cè)鏈上的功能基團形成絡合鍵。本發(fā)明成膜樹脂側(cè)鏈上功能基團之間通過氫鍵和靜電作用，提高了質(zhì)子交換膜的高溫導電性、彈性模量、降低了H₂透過率；另外，功能基團具有絡合作用，與具有自由基消除作用的過渡金屬離子形成絡合物從而保證這些功能材料在整個過程中不發(fā)生流失。

技術領域

本發(fā)明屬于功能高分子復合材料領域，具體涉及一種燃料電池用含氟離子交換膜及其制備方法。

背景技術

當今世界正面臨著環(huán)境污染加重、全球氣溫升高、石油資源枯竭等問題，為了保護我們賴以生存的家園，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，發(fā)展新能源勢在必行。質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)作為新能源資源之一，是將化學能轉(zhuǎn)化為電能的一種能量轉(zhuǎn)化裝置，是一種綠色環(huán)保、高效的發(fā)電技術，尤其其在汽車行業(yè)的應用，被認為是新能源汽車的終極狀態(tài)。質(zhì)子交換膜(Proton exchange membrane，PEM)作為PEMFC的關鍵材料之一，決定著PEMFC的性能優(yōu)劣。在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜一方面起著阻隔陰陽極燃料的作用，另一方面，還能夠傳導質(zhì)子阻隔電子。全氟磺酸質(zhì)子交換膜作為一種高性能的燃料電池膜，具有質(zhì)子傳導率高、化學穩(wěn)定性好、力學性能強的優(yōu)點，被廣泛的應用到新能源領域。全氟磺酸質(zhì)子交換膜由全氟磺酸樹脂成膜后得到，化學式為B的全氟磺酸樹脂是四氟乙烯單體和全氟磺酸乙烯基醚單體的共聚物。

雖然全氟磺酸質(zhì)子交換膜得到了廣泛商業(yè)化應用，但仍然存在一些問題，如高溫條件下的質(zhì)子導電性差、輸出功率低、燃料透過率高、膜缺陷等。全氟磺酸樹脂的結(jié)構決定了其很難實現(xiàn)膜和樹脂的化學改性，文獻中報道的全氟磺酸膜的改性，往往是將樹脂溶液與改性劑通過物理混合，然后成膜[Unal Sen,International Journal of HydrogenEnergy,33(2008)2808-2815；Byungchan Bae,Heung Yong Ha,Journal of theElectrochemical Society,152(7)A1366-A1372]。這種方法主要依靠物理作用(如氫鍵、靜電作用等)，因此改性膜穩(wěn)定性差，使用過程中往往導致改性劑泄露。據(jù)報道，可通過全氟磺酸樹脂側(cè)鏈上的叔碳C-F鍵實現(xiàn)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(Atom transfer radicalpolymerization，ATRP)，對全氟磺酸樹脂進行化學接枝聚合。該法既豐富了原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的方法，又能夠?qū)崿F(xiàn)對全氟磺酸膜的化學改性。通過該法制備的全氟磺酸樹脂具有以下特征：1.樹脂的主結(jié)構和化學組成不發(fā)生變化；2.接枝聚合主要發(fā)生在樹脂結(jié)構的側(cè)鏈上；3.樹脂側(cè)鏈上可以含有2種或2種以上的功能基團；4.樹脂功能化可設計性強。具體的講，為提高全氟磺酸膜在高溫條件下的導電性能，有研究表明氮雜環(huán)化合物摻雜到質(zhì)子交換膜中[Unal Sen,International Journal of Hydrogen Energy,33(2008)2808-2815；Byungchan Bae,Heung Yong Ha,Journal of the Electrochemical Society,152(7)A1366-A1372]，可有效提高質(zhì)子交換膜的高溫導電性，降低H₂或CH₃OH的滲透性。該法雖然簡單，但在使用過程中往往會導致含氮化合物泄露。