质子交换膜及其制备方法和膜电极组件技术

本发明专利技术涉及电化学电池技术领域，提供了一种质子交换膜及其制备方法和膜电极组件，所述方法包括以下步骤：(1)将磺化聚醚醚酮、纤维素、磺化聚(偏二氟乙烯

【技术实现步骤摘要】
质子交换膜及其制备方法和膜电极组件


[0001]本专利技术涉及电化学电池的膜电极组件(MEA)中的质子交换膜
，包括但不限于燃料电池，具体地涉及一种质子交换膜及其制备方法和膜电极组件。

技术介绍

[0002]电化学电池是一种通过电化学反应将化学能直接转化为电能的装置，通常利用氢气作为燃料，具有高效、低污染，无噪声的优点。其中，质子交换膜是包括燃料电池和电解槽等在内的电化学电池的“核心”—膜电极组件的重要组成部分，也是决定电化学电池能否作为经济上可行的能量转换装置的重要因素之一，因而质子交换膜的研究与开发具有十分重要的意义。
[0003]质子交换膜是一种由离聚物组成可传导质子并可在电化学电池中阻隔反应气体的固体有机薄膜。能够应用到电化学电池中的质子交换膜必须具有水合能力来阻碍膜局部脱水和低质子电导率，并且具有良好的机械稳定性。目前商业应用的Nafion
TM
，存在燃料渗透性高，价格昂贵和环境污染的问题。研究较多的含氟酸离子膜和非氟酸离子膜一般具有缺少亲水基团和差的水解能力等突出问题。
[0004]现阶段磺化聚醚醚酮因为具有离子传输和水传输的特性，已经成为质子交换膜基膜研究领域的一大热点，磺化聚醚醚酮的结构式如下所示：
[0005][0006]但是磺化聚醚醚酮在质子传导、成膜性能、含水量和机械稳定性方面仍有待进一步提高。目前常常需要通过无机掺杂或与其他材料组成共混膜来改性磺化聚醚醚酮基底膜。例如利用中孔二氧化硅和磷酸HPW改性磺化聚醚醚酮，或者在磺化聚醚醚酮中掺杂P-POSS、磺化碳纳米管(SCNFs)等物质。这些研究有的可以提高导电性、良好的吸水率和适当的膨胀率，但不能保证分散的无机颗粒大小和均匀性；有的可以提高磺化聚醚醚酮的抗膨胀性能和膜的机械稳定性，然而，制备得到的复合膜的电导率会明显下降；有的可以提高质子交换膜的电导率，但混合膜的机械和热稳定性略差于磺化聚醚醚酮膜。
[0007]因此，亟待改进磺化聚醚醚酮基复合质子交换膜的综合性能，使其具有较高的导电率和含水量，并且兼具较好的机械强度和成膜性能。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种质子交换膜，以解决磺化聚醚醚酮基复合质子交换膜中存在的质子导电率低，机械稳定性弱，含水量少、成膜性能差的问题。
[0009]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0010]一种质子交换膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0011](1)将磺化聚醚醚酮、纤维素、磺化聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)和光引发剂在溶剂中进行混合，经紫外线臭氧照射后得到混合液；其中，所述纤维素选自甲基纤维素、羟丙甲纤维素和甲基纤维素钠中的至少一种；
[0012](2)将混合液浇筑成膜，得到质子交换膜。
[0013]进一步的，所述光引发剂选自苯偶姻乙醚、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮和2-甲基-2-(4-吗啉基)-1-[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮中的至少一种，优选为苯偶姻乙醚；
[0014]优选地，所述溶剂选自二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基呲咯烷酮中的至少一种，优选为二甲基亚砜。
[0015]进一步的，所述纤维素的添加量为磺化聚醚醚酮的添加量的2-8wt％，优选为4-7.5wt％。
[0016]进一步的，所述磺化聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)的添加量为磺化聚醚醚酮、纤维素和磺化聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)的总量的15-25wt％，优选为18-22wt％。
[0017]进一步的，所述光引发剂的添加量为磺化聚醚醚酮、纤维素、磺化聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)和光引发剂的总量的0.5-1.5wt％，优选为0.8-1.2wt％。
[0018]进一步的，基于1g的磺化聚醚醚酮，溶剂的添加量为8-15mL，优选为9-12mL。
[0019]进一步的，所述紫外线臭氧照射的照射时间为20-40min，优选为25-35min。
[0020]进一步的，所述方法包括以下步骤：
[0021](1)将磺化聚醚醚酮、甲基纤维素、磺化聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)、苯偶姻乙醚在二甲基亚砜中进行混合，经紫外线臭氧照射30min后得到混合液；
[0022]其中，甲基纤维素的添加量为磺化聚醚醚酮的添加量的6.4wt％，磺化聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)的添加量为磺化聚醚醚酮、甲基纤维素和磺化聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)的总量的20wt％，光引发剂的添加量为磺化聚醚醚酮、甲基纤维素、磺化聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)和光引发剂的总量的1wt％，基于1g的磺化聚醚醚酮，溶剂的添加量为10.7mL；
[0023](2)将混合液静置16h后浇筑在水平玻璃板上，在100℃下干燥8h，得到质子交换膜。
[0024]本专利技术的另一目的在于提出一种由本专利技术第一目的所述的质子交换膜的制备方法制得的质子交换膜；
[0025]优选地，所述质子交换膜在30℃下，质子导电率为0.08-0.15S/cm，优选为0.9-1.2S/cm；
[0026]优选地，所述质子交换膜的含水量为44-49wt％，优选为45-48.5wt％；
[0027]优选地，所述质子交换膜的纵向拉伸断裂强度为21-27MPa，优选为23-27MPa。
[0028]本专利技术的第三个目的在于提出一种膜电极组件，所述膜电极组件包括本专利技术第二目的所述的质子交换膜。
[0029]相对于现有技术，本专利技术所述的质子交换膜及其制备方法和膜电极组件具有以下优势：
[0030]本专利技术所述的质子交换膜的制备方法，在紫外线臭氧照射下利用纤维素和磺化聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)对磺化聚醚醚酮进行改性，制备方法简单，成本低，适合工业化
推广；而且制备得到的质子交换膜在30℃下，质子导电率为0.08-0.15S/cm，含水量高达44-49wt％，不仅质子导电率和含水量高，而且具有良好的机械强度和成膜性能，在电化学电池领域具有良好的应用前景。
[0031]本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0032]构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施方式及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0033]图1为本专利技术制备例1、对比例1和实施例1所制备产品的扫描电子显微镜图；
[0034]图2为本专利技术制备例1、对比例1和实施例1所制备产品的含水量测试结果图；
[0035]图3为本专利技术制备例1、对比例1和实施例1所制备产品在不同温度下的质子电导率测试结果图。
具体实施方式
[0036]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
[0037]本专利技术第一方面提供了一种质子交换膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0038](1)将磺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将磺化聚醚醚酮、纤维素、磺化聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)和光引发剂在溶剂中进行混合，经紫外线臭氧照射后得到混合液；其中，所述纤维素选自甲基纤维素、羟丙甲纤维素和甲基纤维素钠中的至少一种；(2)将混合液浇筑成膜，得到质子交换膜。2.根据权利要求1所述质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述光引发剂选自苯偶姻乙醚、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮和2-甲基-2-(4-吗啉基)-1-[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮中的至少一种，优选为苯偶姻乙醚；优选地，所述溶剂选自二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基呲咯烷酮中的至少一种，优选为二甲基亚砜。3.根据权利要求1或2所述质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述纤维素的添加量为磺化聚醚醚酮的添加量的2-8wt％，优选为4-7.5wt％。4.根据权利要求1-3中任意一项所述质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述磺化聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)的添加量为磺化聚醚醚酮、纤维素和磺化聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)的总量的15-25wt％，优选为18-22wt％。5.根据权利要求1-4中任意一项所述质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述光引发剂的添加量为磺化聚醚醚酮、纤维素、磺化聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)和光引发剂的总量的0.5-1.5wt％，优选为0.8-1.2wt％。6.根据权利要求1-5中任意一项所述质子交换膜的制备方法，其特征在于，基于1...

【专利技术属性】
技术研发人员：周超凡，
申请(专利权)人：未势能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：