[發明專利]一種基于共輻射技術制備質子交換膜的方法

無效

• 申請號: 200910119066.1
• 申請日: 2009-03-20
• 公開（公告）號: CN101510617A
• 公開（公告）日: 2009-08-19
• 發明（設計）人: 于宏燕;石建恒;曾心苗;許自炎;鮑矛
• 申請（專利權）人: 北京市射線應用研究中心
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;C08J7/18
• 代理公司: 北京理工大學專利中心
• 代理人: 張利萍

技術領域

本發明涉及一種質子交換膜的制備方法，特別涉及一種基于共輻射技術制備質子交換膜的方法，屬于高分子材料領域。

背景技術

燃料電池(Fuel?Cell)是一種將化學能轉化為電能的裝置。它利用氫氣、天然氣、煤氣或甲醇等非石油類燃料與純氧或空氣分別在電池的兩極發生氧化-還原反應，為環境提供直流電。以燃料電池中的電解質來劃分，燃料電池大致可分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和質子交換膜燃料電池(PEMFC)。其中，質子交換膜燃料電池具有工作溫度低、啟動快、輸出比功率高、腐蝕性低等優點，成為近幾年發展最快的新一代高效低污染能源動力系統。

質子交換膜(PEM)是質子交換膜燃料電池的關鍵組件，為質子的遷移提供通道，作為隔膜隔離兩極反應氣體并隔絕電子，其性能直接影響燃料電池的工作性能、成本和應用前景。目前，廣泛應用的質子交換膜為全氟磺酸型聚合物質子交換膜，其實例是Dupont公司的Nafion^@膜，具有質子傳導率高和化學穩定性好等優點。但Nafion^@類膜仍存在一些不足，如：制作困難，生產工藝復雜，成本很高；對溫度和含水量要求高，質子交換膜中的水起著質子傳輸通道的作用，溫度高于80℃并且濕度很小時，膜失水使電導率顯著下降，但高的工作溫度可以提高質子交換膜燃料電池所用催化劑的耐一氧化碳性；膜在不同濕度下因吸水率不同而溶脹率不同，易降低膜的機械性能。因此，提高質子交換膜不同溫度下的保水性和尺寸穩定性，并保證其良好的機械強度和質子傳導率，同時降低成本，具有重要的現實意義。

清華大學與北京市世紀博納能源技術有限責任公司的發明專利“一種聚偏氟乙烯枝接聚苯乙烯磺酸質子交換膜的制備方法”(【申請號】01129698.4)，通過將聚偏氟乙烯溶于甲基吡咯烷酮溶劑中制成高分子溶液，加入引發劑和苯乙烯單體90℃下反應后，再加入三氯甲烷至不溶性固體全部沉出，取出固體，清洗烘干，溶于甲基吡咯烷酮形成溶液，澆注在玻璃板上烘干成膜，之后磺化，制得有較好的質子傳導率的聚偏氟乙烯枝接聚苯乙烯磺酸質子交換膜，但化學接枝法需要加入引發劑，同時膜的高溫保水性有待提高。

通過物理混合、浸漬或溶膠凝膠等方法將無機保水成分摻雜到質子交換膜內，可提高膜的保水性能。如武漢理工大學公開的發明專利“經礦物纖維保濕的燃料電池質子交換膜及其制備方法”(【申請號】200710052392.6)，將坡縷石-海泡石族礦物溶入醇水溶液制成礦物纖維分散液，再加入到質子交換樹脂溶液中制成共混液，流延成膜，之后膜在H₂SO₄溶液中煮沸，去離水清洗，制得坡縷石-海泡石族礦物纖維與質子交換樹脂復合的質子交換膜。本發明的質子交換膜具有高保濕性能及尺寸穩定性，但無機成分坡縷石-海泡石族礦物纖維與質子交換樹脂溶液不相溶，很難達到良好分散。又如新源動力股份有限公司“一種碳納米管增強的自增濕復合質子交換膜及其制備”(【申請號】200610134078.8)的發明專利，利用溶液澆鑄法得到碳納米管增強全氟磺酸樹脂膜，然后向膜內引入Pt作為自增濕催化劑，其中Pt擔載在碳納米管上，制得強度好自增濕的復合質子交換膜，但無機成分Pt擔載的碳納米管容易團聚，影響性能，同時，所用的全氟磺酸樹脂、Pt和碳納米管在價格上仍然較高。武漢理工大學發明的“一種保水質子交換膜燃料電池核心組件的制備方法”(【申請號】200710051758.8)，先將質子傳導聚合物溶液用NaOH調節pH值后加入無水有機溶劑，然后蒸餾，將無機氧化物前驅體加入到蒸餾后的溶液中攪拌，得到修飾有無機氧化物納米粒子的質子傳導聚合物，制備了具有良好的保水能力的燃料電池核心組件，但依然存在納米顆粒容易團聚，粒子粒徑難以控制的問題。上述方法得到的質子交換膜有機-無機相間主要以物理吸附、氫鍵或范德華力等弱相互作用結合，在燃料電池的應用中，由于滲透或擴散作用，無機組分容易隨著水的傳輸從有機聚合物相上分離出來，有機-無機相間較弱的界面作用會直接影響質子交換膜的結構和性能。

發明內容

本發明的目在于克服上述已有技術的不足，提供一種基于共輻射技術制備具有保水功能且尺寸穩定性高、低成本的質子交換膜的方法。

為實現上述目的，本發明采用如下的技術方案：

一種基于共輻射技術制備質子交換膜的方法，其制備步驟如下：

(1)選擇聚合物基膜