[发明专利]燃料电池用阳离子基团功能化的聚芴醚腈交联型阴离子交换膜材料及其制备方法

说明书

一种燃料电池用阳离子基团功能化的聚芴醚腈交联型阴离子交换膜材料及其制备方法，属于阴离子交换膜技术领域。是利用亲核缩聚反应制备含有苄甲基的聚芴醚腈聚合物，再通过溴化反应制备含有苄基溴的聚芴醚腈聚合物，随后利用季胺化反应制备阳离子基团功能化的聚芴醚腈聚合物，再利用溶液共混法加入交联剂制备阳离子基团功能化的聚芴醚腈交联型阴离子交换膜材料。在80℃时的离子传导率为0.051S/cm～0.089S/cm，30℃甲醇渗透系数为0.96×10^‑7cm²s^‑1～1.56×10^‑7cm²s^‑1，在60℃、2M的NaOH溶液中浸泡10天后，该交联膜的离子传导率保持在60.0～77.5％，表明该交联型阴离子交换膜具有良好的耐碱稳定性。本发明制备的复合型质子交换膜成本低于全氟磺酸膜，易于产业化，可应用于燃料电池领域。

技术领域

本发明属于阴离子交换膜技术领域，具体涉及一种燃料电池用阳离子基团功能化的聚芴醚腈交联型阴离子交换膜材料及其制备方法。

背景技术

面对煤、石油、天然气等化石能源的迅速枯竭，迫切需要开发一种环保可再生的新能源。近年来，太阳能、风能、潮汐能等可再生能源的开发利用已取得了很大进展。但是由于环境因素、地理条件以及气候等的影响，而无法实现广泛应用。因此开发出一种高效、便携、绿色、无污染的新型能源迫在眉睫。燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置。燃料电池本身拥有以下优点：燃料-电能转化效率高，一般在45％～60％，高于火力发电和核电的效率(30％～40％)；能直接将燃料的化学能转化为电能，并不需要燃烧，具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为便携式电源、电动汽车、固定发电站等的首选能源，其作为新型绿色能源得到了广泛的关注，这项技术也正在迅猛发展。聚合物电解质膜作为直接甲醇燃料电池的核心部件，其综合性能不足是直接甲醇燃料电池产业化所面临的最大问题。已开发的聚合物电解质膜材料普遍存在阻醇性能差和高离子传导率时尺寸稳定性不足等缺点。即使是具有全氟磺酸结构的Nafion膜，仍然不能满足直接甲醇燃料电池的要求。因此，开发出适用于直接甲醇燃料电池的可替代Nafion膜的具有高阻醇性、高尺寸稳定性、高质子传导率、低成本的聚合物电解质膜是推动直接甲醇燃料电池商业化进程的关键。聚合物电解质膜可分为两大类：质子交换膜和阴离子交换膜。与质子交换膜相比，阴离子交换膜可使用非贵金属镍等作为催化剂，因为碱性条件下，燃料电池阴阳极具有更快的氧化还原动力学，镍等非贵金属可以高效稳定使用，从而避免了对贵金属铂的依赖性。这样不仅使燃料电池的应用不受铂资源的限制，又大大降低了燃料电池的成本，此外，由于OH^-迁移方向与燃料甲醇分子的渗透方向相反，这种反向电渗析大大减少了燃料的渗透。这些优点有望加速燃料电池的商业化进程。但阴离子交换膜的耐碱稳定性普遍较差，且其阴离子传导率较小。故针对阴离子交换膜的构建，主要在于对其主链结构和侧链基团的分子设计，需增加其耐碱稳定性，并提高其离子传导率。因此，阳离子基团功能化的含苄甲基的聚芴醚腈交联型阴离子交换膜材料具有重大潜力。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池用阳离子基团功能化的含芴基的聚芳醚腈交联型阴离子交换膜材料及其制备方法，该交联型阴离子交换膜具有较高的离子传达率和良好的耐碱稳定性，同时，该制备方法工艺简单、成本低。

本发明首先提供一种燃料电池用阳离子基团功能化的含苄基溴的聚芴醚腈交联型阴离子交换膜材料，其结构式如式Ⅰ所示：

其中，0.1≦x≦1。

具体的制备流程如式Ⅱ：

本发明提供了阳离子基团功能化的含苄基溴的聚芴醚腈交联型阴离子交换膜材料的制备方法如下：