一种复合型质子交换膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体是一种复合型质子交换膜及其制备方法，包括步骤如下：S1：制备部分氟磺酰氟树脂；S2：向所述部分氟磺酰氟树脂的低碳醇溶液中加入聚四氟乙烯膜，制备复合型质子交换膜。本发明专利技术能够降低成本，便于批量生产，同时使复合型质子交换膜厚度减小，机械性能提高，稳定性提高。

A Composite Proton Exchange Membrane and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种复合型质子交换膜及其制备方法
本专利技术涉及质子交换膜燃料电池
，特别涉及一种复合型质子交换膜及其制备方法。
技术介绍
随着传统能源的枯竭，新能源的开发和利用越来越受到关注，氢燃料电池汽车是新能源汽车发展的重要方向，质子交换膜的性能很大程度上影响电堆的性能，进而影响到整车的动力性经济性表现。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是利用氢气和氧气直接经过化学反应产生电能的一种装置，具有能量转化率高、低温启动时间短和无电解液腐蚀等优点，可应用于航天、军事、电动汽车和区域电站等领域中。其中质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池中起到传递质子作用的薄膜，质子交换膜燃料电池(PEMFC)在质子交换膜两侧设置两个电极，阳极通有氢气，阴极通有氧化剂，氢气中的H+通过质子交换膜，电子则只能通过导线，进而形成电流。质子交换膜(PEM)的材料一般为全氟烷基磺酸类高分子材料。这种材料的质子传导性良好，但是该材料成本也居高不下，对于商业的大规模使用不利。但是为降低质子交换膜(PEM)的成本，部分含氟磺酸质子交换膜和非氟化的质子交换膜均成为研究人员的研究方向。例如，加拿大巴拉德公司已经研发的聚三氟苯乙烯膜，这种膜具有良好的热稳定性，化学稳定性和相对较高的吸水率，但是制备工艺过于复杂，影响了大规模工业化应用；再或者例如，该公司在研发已经研发的非氟化质子交换膜(BaM2G)。这种膜由聚苯基喹喔啉和聚联苯酚经磺化制备，用这种膜制备的膜电极(MEA)性能已经优于全氟磺酸(Nafion)117膜，但是电池寿命小于500小时，才迫使巴拉德发展部分氟化质子交换膜。以上研发的质子交换膜均无法完全适合质子交换膜燃料电池(PEMFC)的各项需求，因此复合型质子交换膜成为了研发人员的热点研究放心，例如，Gore公司已经研发的一种新型复合膜，该复合膜由聚四氟乙烯多孔膜和全氟磺酸树脂制备而成，定义该复合膜的商业型号为Gore-se-lect，并且已经应用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)上，但是Gore公司并未公布该复合膜的制备方法。中国专利中也有人提出制备复合型质子交换膜的方法，在中国专利01136845中，研究人员提出了利用聚四氟乙烯(PTFE)和全氟磺酸(Nafion)树脂低醇溶液制备复合膜，根据该复合膜的扫描电镜(SEM)照片，全氟磺酸树脂低醇溶液不但浸入到了聚四氟乙烯的空隙中，还在多孔膜表面形成了连续的薄膜，原本的聚四氟乙烯(PTFE)膜的厚度为15微米，形成复合膜的厚度为25微米，根据测试发现，该种方法制备的复合膜在尺寸稳定性方面要明显优于全氟磺酸(Nafion)膜，同时该复合膜的伏安特性曲线显示，该复合膜的性能已经优于全氟磺酸(Nafion)115膜，且性能稳定，但是该复合膜的吸水能力下降。为了解决以上质子交换膜的缺点，并且完善和改进现有技术，制备出更加适用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的质子交换膜。
技术实现思路
针对现有技术的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种复合型质子交换膜及其制备方法，能够降低成本，便于批量生产，同时使复合型质子交换膜厚度减小，机械性能提高，稳定性提高。为了解决上述问题，本专利技术提供一种复合型质子交换膜的制备方法，包括步骤如下：S1：制备部分氟磺酰氟树脂；S2：向所述部分氟磺酰氟树脂的低碳醇溶液中加入聚四氟乙烯膜，制备复合型质子交换膜。进一步地，所述步骤S1还包括：S11：制备出全氟磺酰醚单体；S12：将所述全氟磺酰醚单体、聚四氟乙烯和乙烯发生聚合反应，形成含有钠离子的部分氟磺酰氟树脂；S13：将上述部分氟磺酰氟树脂中的钠离子用氢离子替换，形成部分氟磺酰氟树脂。进一步地，所述步骤S11中，所述全氟磺酰醚单体为环砜与碳酸钠发生缩合反应形成的，所述环砜为四氟乙烯与三氧化硫发生反应形成的。进一步地，所述步骤S2还包括：S21：将所述部分氟磺酰氟树脂溶入低碳醇溶液中，制备出混合溶液A；S22：将聚四氟乙烯膜侵入至所述混合溶液A中，制备出混合溶液B；S23：向所述混合溶液B中加入高沸点溶剂，制备出混合溶液C；S24：加热所述混合溶液C，并且静置所述混合溶液C至少3小时。进一步地，所述低碳醇溶液为甲醇溶液、乙醇溶液和异丙醇溶液中的一种。进一步地，所述聚四氟乙烯膜的厚度为15um-25um。进一步地，所述聚四氟乙烯膜为多孔聚四氟乙烯膜，所述多孔聚四氟乙烯膜的孔径为0.3um-0.5um。进一步地，所述步骤S22中，所述高沸点溶剂为二甲基亚砜或/和N-二甲基乙酰胺溶剂。进一步地，所述制备方法还包括如下步骤：S3：将所述复合型质子交换膜置于150℃-180℃的真空环境内，对所述复合型质子交换膜进行挤压，使温度降至60℃以下，在所述复合型质子交换膜表面涂喷所述部分氟磺酰氟树脂的低碳醇溶液；S4：重复所述步骤S3至少三次，使所述复合型质子交换膜恢复至温度阈值。本专利技术另一方面还保护了一种复合型质子交换膜，所述复合型质子交换膜采用所述的一种复合型质子交换膜的制备方法制备得到，所述复合型质子交换膜包括部分氟磺酰氟树脂和聚四氟乙烯膜，所述部分氟磺酰氟树脂嵌入所述聚四氟乙烯膜的间隙孔中。由于上述技术方案，本专利技术具有以下有益效果：1)本专利技术的复合型质子交换膜及其制备方法，采用乙烯代替四氟乙烯，能够降低制造成本，便于批量生产。2)本专利技术的复合型质子交换膜及其制备方法，采用多孔聚四氟乙烯膜制备复合型质子交换膜，能够使复合型质子交换膜厚度减小，机械性能提高，稳定性提高。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。图1是本专利技术实施例1提供的复合型质子交换膜制备方法的流程图；图2是本专利技术实施例1提供的步骤S1的流程图；图3是本专利技术实施例1提供的步骤S2的流程图；图4是本专利技术实施例2提供的复合型质子交换膜制备方法的流程图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本专利技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合型质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括步骤如下：S1：制备部分氟磺酰氟树脂；S2：向所述部分氟磺酰氟树脂的低碳醇溶液中加入聚四氟乙烯膜，制备复合质子交换膜。

【技术特征摘要】
1.一种复合型质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括步骤如下：S1：制备部分氟磺酰氟树脂；S2：向所述部分氟磺酰氟树脂的低碳醇溶液中加入聚四氟乙烯膜，制备复合质子交换膜。2.根据权利要求1所述的一种复合型质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：S11：制备出全氟磺酰醚单体；S12：将所述全氟磺酰醚单体、聚四氟乙烯和乙烯发生聚合反应，形成含有钠离子的部分氟磺酰氟树脂；S13：将上述部分氟磺酰氟树脂中的钠离子用氢离子替换，形成部分氟磺酰氟树脂。3.根据权利要求2所述的一种复合型质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S11中，所述全氟磺酰醚单体为环砜与碳酸钠发生缩合反应形成的，所述环砜为四氟乙烯与三氧化硫发生反应形成的。4.据权利要求1所述的一种复合型质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：S21：将所述部分氟磺酰氟树脂溶入低碳醇溶液中，制备出混合溶液A；S22：将聚四氟乙烯膜侵入至所述混合溶液A中，制备出混合溶液B；S23：向所述混合溶液B中加入高沸点溶剂，制备出混合溶液C；S24：加热所述混合溶液C，并且静置所述混合溶液C至少3小时。5.根据权利要求4所述的一种复合型质子交换膜的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘龙，李健，韩旭，翁鹏程，朱敏婧，陈骋，
申请(专利权)人：浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江吉利控股集团有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33