[发明专利]用于燃料电池质子交换膜的聚合物及其制备方法

说明书

用于燃料电池质子交换膜的聚合物及其制备方法。本申请提供了一种用于燃料电池质子交换膜的聚合物，所述聚合物包括由以下单体形成的单元：(1)一种或多种含有不饱和烯键的磺酸甜菜碱单体；(2)一种或多种乙烯基不饱和磺酸单体；(3)一种或多种含氟乙烯基单体；以及(4)一种或多种含有多个不饱和烯键官能团和亲水基团的单体。

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种燃料电池部件，具体地说，涉及一种燃料电池用氟碳树脂基质子交换膜及其制备方法。

背景技术

近年来，随着全球工业化进程的推进及人们对环境问题和能源问题认识上的不断深入，清洁新能源装置引起了人们的广泛关注。质子交换膜燃料电池作为众多清洁能源装置之一，因其具有启动快、比功率与比能量高、环保无污染的优势，成为近几年来业内关注的焦点，已经被广泛应用于新能源汽车。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的“心脏”部件，其性能的好坏直接影响质子交换膜燃料电池的正常工作、寿命、能量转化率，在质子交换膜燃料电池中起着阻隔燃料和传递质子的双重作用。可见，开发综合性能和性能稳定性佳的质子交换膜对促进质子交换膜燃料电池的进一步发展具有非常重要的意义。

目前，商业化应用的质子交换膜是由美国杜邦公司生产的Nafion膜，这种膜具有极好的机械力学性能和热力学、化学稳定性，且在湿的条件下具有较高的质子传导率。但其主要靠进口，成本昂贵，这一缺点阻碍了Nafion膜的进一步发展。另一方面，其存在高甲醇渗透的问题。市面上的其它种类的燃料电池用质子交换膜也还或多或少存在溶胀度太大，机械性能得不到保障，吸水保水性能弱的缺点。

为了解决上述问题，申请号为CN201711152600.X的中国发明专利申请了一种低温质子交换膜的制备方法：四[4-(4'-羧基苯基)苯基]乙烯、二烯丙基二硫、羧基化富勒烯、乳化剂和光引发剂混合，滴在玻璃板上，放入在氮气或惰性气体氛围下的220-300nm的紫外灯下照40-50分钟，发生聚合反应，得到低温质子交换膜；该发明还公开了按照所述制备方法制备得到的低温质子交换膜；该发明公开的低温质子交换膜价格低廉，质子传导率高，机械性能、吸水保水性能优异。然而，其耐老化性能和性能稳定性有待进一步提高。

氟碳树脂具有出色的耐高温性、耐油性、耐溶剂性、耐候性和物理力学性能，是现代工业尤其是高技术领域中不可缺少和替代的基础材料之一，是燃料电池用质子交换膜的优良材料。然而，现有的氟碳树脂表面活性低，燃料电池组装不易，价格昂贵，要么吸收率有限，要么溶胀度太大影响机械性能。

本领域仍需要一种更为有效的材料，其能制备出质子传导率更高、机械力学性能更好、成本相对低廉、抗氧化性能更佳的燃料电池用质子交换膜。

发明内容

本申请的目的是提供一种用于燃料电池质子交换膜的聚合物及其制备方法，该质子交换膜的质子传导率更高、机械力学性能更好、成本相对低廉、抗氧化性能更佳，并且更易组装。另一方面，本申请的方法不仅工艺简单、能耗小、操作方便，而且制备效率高，不会造成环境污染，适合连续工业化生产。

因此，本申请一方面提供了一种用于燃料电池质子交换膜的聚合物，其特征在于，所述聚合物包括由以下单体形成的单元：

(1)一种或多种含有不饱和烯键的磺酸甜菜碱单体；

(2)一种或多种乙烯基不饱和磺酸单体；

(3)一种或多种含氟乙烯基单体；以及

(4)一种或多种含有多个不饱和烯键官能团和亲水基团的单体。

在本申请的一个优选实例中，所述含有不饱和烯键的磺酸甜菜碱单体选自磺酸甜菜碱丙烯酸盐、磺酸甜菜碱丙烯酰胺、磺酸甜菜碱乙烯基化合物、磺酸甜菜碱环氧化物中的一种或多种；优选地，所述含有不饱和烯键的磺酸甜菜碱单体选自3-[N,N-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]铵]丙烷-1-磺酸内盐、N,N-二甲基-N甲基丙酰胺基丙基-N,N-二甲基-N-丙烷磺酸内盐及其混合物。