[發明專利]一種高溫質子交換膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201810286112.6
• 申請日: 2018-04-03
• 公開（公告）號: CN108649257B
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 不公告發明人
• 申請（專利權）人: 福建永同豐超低能耗建筑研究院有限公司
• 主分類號: H01M8/1069
• 分類號: H01M8/1069;H01M8/1048;H01M8/1051
• 代理公司: 福州科揚專利事務所 35001
• 代理人: 羅立君

本發明提供一種高溫質子交換膜的制備方法，包括如下步驟：一)雙羥乙基砜?4,5?二羧基咪唑縮聚物的制備，二)縮聚物的改性，三)澆注成膜，四)磷酸摻雜。本發明還公開了根據所述高溫質子交換膜的制備方法制備得到的高溫質子交換膜及利用所述高溫質子交換膜作為聚電解質膜的質子交換膜燃料電池。本發明制備得到的高溫質子交換膜與現有技術中的高溫質子交換膜相比，質子傳導率更高、價格更加低廉、甲醇滲透率更低、機械力學性能更好，穩定性和耐高溫性能更佳，使用更加安全環保。

技術領域

本發明屬于聚電解質材料技術領域，涉及一種燃料電池部件，具體地說，涉及一種高溫質子交換膜及其制備方法。

背景技術

近年來，環境問題和能源問題仍然是制約社會經濟發展的主要因素。為了解決這一問題，各種清潔新能源裝置如雨后春筍般涌現。隨著新能源汽車的逐漸商業化與普及，作為新時代清潔能源裝置之一，能為新能源汽車提高動力源的燃料電池成為業內研究開發的熱點。燃料電池是一種能直接將化學能轉化為電能的能源裝置，具有啟動快、續延時間長、比功率與比能量高、綠色環保的優勢。

目前，最常見的燃料電池是質子交換膜燃料電池。質子交換膜燃料電池主要包括質子交換膜、電極及催化劑等關鍵部件，其中，質子交換膜在質子交換膜燃料電池中起到阻隔燃料和傳遞質子的雙重作用，其性能的好壞直接影響著燃料電池的能量轉化效率及循環使用壽命。由美國杜邦公司生產的Nafion膜是目前應用最為廣泛的一種高性能質子交換膜，但這種膜只能在低溫保濕條件下使用，燃料電池實際工作環境經常會超過80℃，在此溫度以上時，這種膜內吸附保留的水分會揮發，從而降低質子傳導率，使得燃料電池工作不穩定，循環使用壽命縮短。另外，這種膜主要依靠進口，價格昂貴，這些不足阻礙了質子交換膜燃料電池在新能源汽車乃至其他裝置或其他行業的廣泛應用與進一步發展。

現有技術中通常通過在聚合物基膜中添加磷酸或離子液體等質子傳導介質來制備能在高溫條件下能穩定工作的質子交換膜，這種方法能有效提高質子交換膜的使用溫度和質子傳導率，但由于聚合物基膜吸附能力不強，對磷酸或離子液體這些質子傳導介質的束縛能力弱，不能很好的保留磷酸或離子液體這些質子傳導介質，經常會由于其泄漏流失問題導致電池能量效率低下、使用壽命下降，甚至存在引發安全事故的隱患。

開發一種價格低廉、質子傳導率高、穩定性好的高溫質子交換膜，以促進燃料電池在高溫環境下的使用與發展勢在必行。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種高溫質子交換膜及其制備方法，該制備方法簡單易行，對設備及反應條件要求不高，原料易得，價格低廉，制備得到的高溫質子交換膜與現有技術中的高溫質子交換膜相比，質子傳導率更高、價格更加低廉、甲醇滲透率更低、機械力學性能更好，穩定性和耐高溫性能更佳，使用更加安全環保。

為達到以上目的，本發明提供一種高溫質子交換膜的制備方法，包括如下步驟：

1)雙羥乙基砜-4,5-二羧基咪唑縮聚物的制備：將雙羥乙基砜、4,5-二羧基咪唑、催化劑溶于甲苯中，并加入到帶有分水器的圓底燒瓶中，在氮氣或惰性氣體氛圍下80-90℃下攪拌反應2-3小時，在溫度110-130℃下攪拌反應6-8小時，后旋蒸除去溶劑，并用水洗滌產物3-5次，再用乙酸乙酯洗滌4-8次，最后置于真空干燥箱中80-90℃下烘10-15小時；

2)縮聚物的改性：將經過步驟1)制備得到的縮聚物、2-氯乙基甲基磺酸、堿性催化劑溶于高沸點溶劑中，在70-80℃下攪拌反應4-6小時，然后在水中沉出，并用水洗5-8次后置于真空干燥箱中100-110℃下烘10-15小時；

3)澆注成膜：將經過步驟2)制備得到的改性后的縮聚物溶于二甲亞砜，并向溶液中加入金屬有機框架，超聲15-20分鐘，后澆注在聚四氟乙烯板上，并置于70-80℃的鼓風干燥箱中烘8-12小時，得到聚合物膜；