高Tg高交换容量全氟磺酸聚合物的合成及膜的结构性能研究

Fuel cell vehicle production line, which uses perfluorinated proton exchange membrane as core materials, has been built in Toyota Motor. This indicates new transportation era with no discharge of pollutants and the use of non fossil energy resources is coming. However, currently, widely used perfluorinated proton exchange membranes still have two fundamental drawbacks including low glass transition temperature (Tg<90℃)and low ion exchange capacity (IEC<1.2mmol/g). Since the fuel cell often operates at more than 90℃ which is higher than Tg of the membranes, the structure of the membranes will change resulting in inevitably degradation of the membranes performance. In addition, the lower IEC, the lower membrane conductivity. Therefore, the research and development on perfluorinated proton exchange membrane are ongoing to meet the need of the membrane with higher performance and real application value. In this proposal, we plan to design and synthesize new perfluorinated proton exchange membranes with higher Tg (Tg>90℃) ， high IEC and high proton conductivity(>150ms/cm). Systematic study will be performed on the synthesis of short- side-chain functional monomers, perfluorinated peroxide initiators with sulfonic acid group and perfluorinated ether dispersants. Transport behavior of TFE in the polymerization system, the process and mechanism of the copolymerization and the factors on the molecular weight and polydispersity of the copolymers are our research contents. Moreover, the membrane preparation methods and the relationship between the structure and the property of the membranes are also important research contents.

以全氟质子传导膜为核心材料的燃料电池汽车生产线在丰田汽车公司建成，预示着无污染物排放、可使用非化石能源的交通时代的来临。然而，目前应用的全氟质子传导膜的玻璃化转变温度(Tg)低于90℃，而实际的燃料电池电堆常常需要在90℃以上工作，这样就会造成质子传导膜微观结构的变化，导致膜的传递性能和机械性能不可逆地加速退化。另外，膜离子交换容量低，影响了膜电导率的进一步提升。因此，科学界和工业界正在研究和开发能够真正具有实际应用价值的、更高性能的全氟质子传导膜，以满足燃料电池汽车的需要。本研究拟从聚合物分子设计出发，合成Tg高于90℃的、高交换容量的成膜聚合物，制成的膜电导率高于150ms/cm。本项目将系统研究短支链功能单体、含磺酸基团的全氟过氧化物引发剂、四氟乙烯单体在聚合体系中的传递行为及与功能单体的共聚合反应过程与机理、影响共聚物分子量及其分布的因素、聚合物成膜性能，膜结构与性能的构效关系。

以全氟质子传导膜为核心材料的燃料电池汽车生产线在丰田汽车公司建成，预示着无污染物排放、可使用非化石能源的交通时代的来临，这是全球科学界和工业界历经近20年不懈努力的结果。然而，目前应用的全氟质子传导膜的玻璃化转变温度(Tg)低于90℃、而实际的燃料电池电堆常常需要在90℃以上工作，这样就会造成质子传导膜微观结构的变化，必然会影响膜的传递性能和机械性能不可逆地加速退化。另外，离子交换容量低，影响了膜电导率的进一步提升。因此，科学界和工业界正在研究和开发能够真正具有实际应用价值的、更高性能的全氟质子传导膜，以满足高功率密度燃料电池汽车的需要。本项目从聚合物分子设计出发，合成了玻璃化转变温度（Tg）高于130℃的全氟磺酸质子聚合物，制备出离子交换容量（IEC）≥1.4 mmol/g，质子电导率高于180ms/cm（80℃，95%RH）的高IEC高Tg的全氟磺酸质子膜。系统研究了全氟磺酸质子聚合物的合成、聚合物在成膜过程的结构形貌演变、成膜机理以及膜结构与性能的构效关系。并且首次合成了耐碱性好（在8M KOH水溶液中80℃下浸泡15天后，膜的电导率和IEC分别维持86.1%和87.5%）、电导率高（80℃时，100%RH， 102.4 mS/cm）的全氟阴离子交换膜。以上的基础研究为高功率密度输出、高温（100-130℃）燃料电池汽车用新一代全氟质子膜的开发奠定了坚实的理论基础。