[发明专利]一种燃料电池用吡啶类复合质子交换膜及制备方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，本发明燃料电池用吡啶类复合质子交换膜是由无水吡啶、卤代烷烃，在冰水浴中，加入磺化试剂，通过络合反应，生成磺化吡啶，之后与质子交换膜基膜材料经过压延法加工而成。本发明制备的燃料电池用吡啶类复合质子交换膜的化学稳定性高，能在100℃以上的环境中工作，质子交换膜老化速率慢，使得电池在高温下工作是任然具有良好的质子导电率和水保持率；本发明燃料电池用吡啶类复合质子交换膜通过使吡啶类聚合物磺化缩聚，利用氮杂环基团代替水分子充当质子传输介质，不仅提高了质子交换膜的工作温度，同时还可以提高其高温下抗老化性能，最终通过与聚乙烯等质子交换膜基膜进行复合，防止子交换膜基膜水解，增加了基膜的力学性能，提升了质子交换膜的使用寿命。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种复合质子交换膜的制备方法，尤其是涉及一种燃料电池用吡啶类复合质子交换膜及制备方法。

背景技术

质子交换膜(Proton Exchange Membrane Fuel，PEM)是PEMFC的核心部件，PEM与一般化学电源中使用的隔膜有区别。质子交换膜燃料电池已成为汽油内燃机动力最具竞争力的洁净取代动力源。用作PEM的材料应该满足以下条件：良好的质子电导率、水分子在膜中的电渗透作用小、气体在膜中的渗透性尽可能小、电化学稳定性好、干湿转换性能好、具有一定的机械强度、可加工性好、价格适当。

质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响电池的使用寿命。

目前燃料电池的工作温度一般在80℃以下，而提高燃料电池的工作温度是简化电池水热管理系统和解决催化剂中毒的有效措施之一；同时也可以改善电池阴阳两极，尤其是阴极的氧气还原反应的动力学，进而提高电池的工作效率。

但是温度升高时，膜内水分的蒸发会造成质子传导性能的急剧下降，且高温下易发生结构改变和化学降解，膜的机械性能也有所降低。

中国发明专利申请号201310432731.9公开了一种纳米氧化钇与吡啶离子液体二元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜及其制备方法 。本发明涉及一种纳米氧化钇与吡啶离子液体二元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜及其制备方法。该质子交换膜的组成及质量百分比为：磺化度为57%～90%的磺化聚苯硫醚：80%～99%；纳米氧化钇和吡啶离子液体组成的二元掺杂相:1%～20%，其中纳米氧化钇与吡啶离子液体摩尔比为1:(1~4)。本发明采用中等磺化度的SPPS作为基体材料，以克服过高磺化度SPPS存在吸水率过高，复合膜稳定性较差的缺点，并保证复合膜具有一定的吸水率；通过纳米级稀土金属氧化物氧化钇及吡啶离子液体二元掺杂的方式，使SPPS基体与该掺杂材料直接发生酸碱反应，以提高复合膜的综合性能。

中国发明专利申请号201110185147.9公开了一种倍半硅氧烷杂化磺化聚酰亚胺质子交换膜的制备方法，将磺化二胺单体和非磺化二胺单体加入二酐及催化剂形成反应体系，得到含端酸酐基团的磺化聚酰亚胺溶液；将该磺化聚酰亚胺溶液沉析到溶剂中，洗涤并烘干得到含端酸酐基团的磺化聚酰亚胺；将含端酸酐基团的磺化聚酰亚胺、倍半硅氧烷和催化剂一起溶解，浇注，脱除有机溶剂得到倍半硅氧烷杂化的质子交换膜。本发明提供的质子交换膜具有较大的IEC值，极佳的尺寸稳定性和耐水性，成本低廉，为燃料电池领域提供了一种具工业实用性的质子交换膜。