[发明专利]一种用于燃料电池的交联型固体电解质离子交换膜及制备方法

说明书

本发明涉及一种用于燃料电池的交联型固体电解质离子交换膜及其制备方法，该膜由以下步骤制得：1.N‑取代含双键的氮杂环单体的聚合，将带有双键的含氮杂环单体溶解后自由基引发聚合；2.聚离子液体的合成，用末端一卤代的C2‑C6直链醇类对上述得到的聚合物的N原子季铵化；3.聚离子液体/聚乙烯醇的共混，交联，碱化，即取上述季铵化聚合物使之溶胀溶解后，另取聚乙烯醇加入其中溶解，搅拌混匀，倒入玻璃盘，加入戊二醛，微量的酸，加热烘干制膜，取出放入碱液中碱化。本发明所述的膜制备方法简单，具有易成膜、电导率高、电化学稳定性好的特点。

技术领域

本发明属于用于燃料电池的固体电解质膜领域，涉及一种用于燃料电池的交联型固体电解质离子交换膜及制备方法，具体涉及聚合物中的N杂环季铵化同时引入羟基到高聚物中，再和聚乙烯醇化学交联的方法。

背景技术

燃料电池作为一种将化学能转换为电能的特殊装置，由于具有能量转换效率高、低污染、储能物质选择范围宽、低噪音等多种其他能量发生装置不可比拟的优越性，被认为是最有希望的、环境友好的新型化学电源之一。其中，聚合物电解质膜燃料电池有效克服了燃料泄露等问题，且具有快速启动和对负荷变化的快速响应等优点，受到越来越多的关注，成为了最近的研究热点。

聚合物电解质膜燃料电池以聚合物电解质膜为固体电解质，起到分割阴阳两极及传导质子（H⁺）或氢氧根离子（OH^-）的作用，是聚合物电解质燃料电池中的一个关键部件。聚合物电解质膜的性能好坏对聚合物电解质膜燃料电池的发电性能起到了决定性的作用，因而高性能聚合物电解质膜的研究与开发就显得尤为重要。

互穿网络膜是（IPN）由两种或两种以上聚合物相互缠结形成的共混网络体系。其优点在于交联结构会增强各分子链间的相容性，增大相间的结合力，因此会提高 AEM 的综合性能。N 杂环化合物是分子中含有杂环结构的有机化合物，构成环的原子除碳原 子外，还至少含有一个N杂原子。离子化之后的N杂环类化合物具有一定的OH^-传导能力，可以在膜中充当具有离子传导能力的“活性点位”。在 AEMFC 的强碱性的工作环境下，N杂环类阳离子功能基团特有的元环结构可以对辅助传导OH^- 的正电基团起到一定的保护作用，缓解其在碱性溶液中易降解的问题。与传统的季铵类阳离子功能基团、季磷类阳离子功能基团相比，N杂环类阳离子功能基团表现出了优异的耐碱稳定性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种聚合物电解质离子交换膜及其制备方法，该聚合物离子交换膜是通过合成的聚离子液体和PVA间化学键交联的方式制备，该制备方法简单易行，原料易得，价格低廉，机械力学性能、化学稳定性和热稳定性更好，离子传导率更高。

为实现上述目的，本发明采用以下方案来实现：

1).N-取代含双键氮杂环单体的聚合：在无水乙醇中将N-取代含双键的氮杂环单体溶解，加入重结晶的引发剂偶氮二异丁腈，通入氮气30min，去除体系中的氧气，磁力搅拌均匀后，加热至65℃-75℃，在氮气保护下冷凝回流，反应16-24小时，将反应混合液倒入石油醚中析出聚合物，再溶解聚合物再析出，真空烘干得含氮杂环的聚合物；

2).聚合物的季铵化：在溶剂中将1)得到的聚合物超声分散溶解，加入一定量的一卤代直链醇类，加入微量的碘化钠，通入氮气30min，去除体系中的氧气，磁力搅拌均匀后，50℃-65℃下，氮气保护下冷凝回流，反应进行36-50小时，使之在聚合物N上发生季铵化，蒸干溶剂，得到固体物质聚离子液体；

3).共混铸膜溶液的制备：于混合溶剂（二甲基亚砜和纯水等质量比）中加入上述步骤2)的聚离子液体固体物质，升温至60℃-80℃，超声分散使之溶胀溶解后，向其中加入一定比例的聚乙烯醇PVA，磁力搅拌使其溶胀溶解，混合均匀；