[發(fā)明專利]一種高保水性復合型質(zhì)子交換膜及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911289784.3
• 申請日: 2019-12-14
• 公開（公告）號: CN112993353B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郝金凱;邵志剛;張洪杰;呂波
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/1086
• 分類號: H01M8/1086;H01M8/1046
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

本發(fā)明公開了一種高保水性復合型質(zhì)子交換膜及其制備方法，其通過在全氟磺酸樹脂溶液中加入特定類型的聚合物水凝膠，并通過一定的制備方法干燥形成含聚合物水凝膠的復合型質(zhì)子交換膜，借助該聚合物水凝膠較好的親水保水特性，有助于改善質(zhì)子交換膜在低濕度操作下的水管理特性，提高電池在大電流密度運行的輸出性能，滿足特定場景下對高保濕質(zhì)子交換膜的應用需求。本發(fā)明提出的含聚合物納米水凝膠的復合型質(zhì)子交換膜可以應用于質(zhì)子交換膜燃料電池、直接醇類燃料電池、電化學傳感器或其它電化學裝置中作為質(zhì)子交換膜使用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種高保水性復合型質(zhì)子交換膜及其制備方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種能夠?qū)⒒瘜W能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。它具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率(40-60％)、操作溫度低、啟動速度快、對環(huán)境友好等顯著優(yōu)點，是目前國內(nèi)外車用燃料電池所采用的主要技術(shù)形式。但實際上，由于車用PEMFC系統(tǒng)需使用大量高成本的全氟磺酸質(zhì)子交換膜(主要是Nafion系列)及鉑基催化劑材料，導致其成本居高不下，難以真正大規(guī)模推廣。

目前商業(yè)化的質(zhì)子交換膜以美國GORE公司生產(chǎn)的系列機械增強型復合膜為代表，其具有機械強度高，化學穩(wěn)定性好，質(zhì)子傳導率高等優(yōu)點。該復合膜通過將ePTFE多孔支撐體與全氟磺酸樹脂溶液復合而成，但是其價格昂貴，成本大約占據(jù)燃料電池電堆成本的30％-50％，占整車成本的15％以上。同時，現(xiàn)有的機械增強型復合膜其難以滿足在高溫低濕下運行，因此開發(fā)廉價且、且在高溫低濕具有較高性能的質(zhì)子交換膜，一直是質(zhì)子交換膜研究的重要課題影響PEMFC能否真正走向商業(yè)化的關(guān)鍵。

中國專利CN 104681832描述了一種木質(zhì)素燃料電池質(zhì)子交換膜，其采用植物木質(zhì)素作為原材料，通過溶脹、還原、磺化、交聯(lián)、制膜的方法制備質(zhì)子交換膜。木質(zhì)素成本低廉、來源廣泛，但該專利并未披露電池性能的情況。CN106188433B公布了一種木質(zhì)素磺酸鹽質(zhì)子交換膜的制備方法，該方法采用苯乙烯、丙烯酸酯等共聚單體，通過過硫酸類引發(fā)劑對木質(zhì)素磺酸鹽進行接枝改性，從而提高木質(zhì)素磺酸鹽的相容性和質(zhì)子傳導性。但上述方法制備的質(zhì)子交換膜，由于含有木質(zhì)素磺酸鹽以及苯乙烯等接枝共聚物，會導致質(zhì)子交換膜的機械性變差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種高保水性復合型質(zhì)子交換膜及其制備方法，其優(yōu)點在于，有助于改善質(zhì)子交換膜在低濕度操作下的水管理特性，進而提高燃料電池的輸出性能。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

本發(fā)明提供了一種高保水性復合型質(zhì)子交換膜的制備方法，包括如下制備步驟：

(1)將聚合物水凝膠中加入到有機溶劑中，混合并靜置后進行攪拌，得到分散液；

(2)向步驟(1)的分散液中加入磺酸樹脂溶液，混合均勻，得到預制成膜液；

(3)采用一定的成膜方法，將步驟(2)所得預制成膜液制成厚度均勻的復合型質(zhì)子交換膜；

(4)將制成的復合型質(zhì)子交換膜放入烘干存儲箱內(nèi)進行烘干處理，即得；

所述聚合物水凝膠為木質(zhì)素磺酸鹽類水凝膠、丙烯酸類水凝膠、聚硅氧烷類水凝膠中的一種或兩種。

進一步地，步驟(1)中的有機溶劑為N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亞砜、異丙醇中的至少一種。

進一步地，步驟(1)中聚合物水凝膠在有機溶劑中的質(zhì)量百分比為5％～50％。

進一步地，步驟(1)中靜置的時間為5-10分鐘；攪拌的時間為0.5h-2.5h。

進一步地，步驟(2)中所述磺酸樹脂溶液，具體為全氟磺酸樹脂溶液，所述磺酸樹脂溶液的濃度為5％～25％。