一种提高燃料电池电极发电能力的质子交换树脂溶液及其应用方法技术

本申请涉及电池制造技术领域，具体公开了一种提高燃料电池电极发电能力的质子交换树脂溶液及其应用方法。所述质子交换树脂溶液按照重量百分比计包括如下组分：全氟磺酸树脂25

【技术实现步骤摘要】
一种提高燃料电池电极发电能力的质子交换树脂溶液及其应用方法


[0001]本申请涉及电池制造
，更具体地说，它涉及一种提高燃料电池电极发电能力的质子交换树脂溶液及其应用方法。

技术介绍

[0002]在现有的新型清洁能源及其相关技术中，燃料电池具有较好的应用前景。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种新型燃料电池，膜电极是质子交换膜燃料电池的重要组成部分。膜电极通常由电催化剂、质子交换膜、气体扩散层、流场和双极板组成，其中的质子交换膜大多由含有全氟磺酸树脂的溶液经过干燥、退火等步骤制成。全氟磺酸树脂按照所含共聚物侧链的长度分为长侧链型、中长侧链型和短侧链型。通常认为，短侧链型全氟磺酸树脂的磺酸基含量相对较高，因此有利于提高膜电极的发电能力。
[0003]相关技术中有一种短侧链质子交换树脂溶液，短侧链质子交换树脂溶液按照重量百分比计包括如下组分：短侧链全氟磺酸树脂28％，乙醇32％，水40％。短侧链全氟磺酸树脂由1,1,2,2
‑
四氟
‑2‑
(1,2,2
‑
三氟氧乙烯基)乙磺酰氟(分子式：C4F8O3S)和四氟乙烯的共聚物依次经过碱洗和酸洗后得到。
[0004]针对上述中的相关技术，专利技术人认为，相关技术中的短侧链全氟磺酸树脂与中长侧链型和长侧链型全氟磺酸树脂相比，虽然磺酸基含量相对较高，但是短侧链全氟磺酸树脂在制备过程中消耗的酸洗液也较多，增加了全氟磺酸树脂的生产成本。

技术实现思路

[0005]对于相关技术中的短侧链全氟磺酸树脂而言，短侧链全氟磺酸树脂在制备过程中消耗的酸洗液也较多，增加了全氟磺酸树脂的生产成本。为了改善这一缺陷，本申请提供一种提高燃料电池电极发电能力的质子交换树脂溶液及其应用方法。
[0006]第一方面，本申请提供一种提高燃料电池电极发电能力的质子交换树脂溶液，采用如下的技术方案：一种提高燃料电池电极发电能力的质子交换树脂溶液，所述质子交换树脂溶液按照重量百分比计包括如下组分：全氟磺酸树脂25
‑
29％，乙醇40
‑
48％，水25
‑
33％，所述全氟磺酸树脂由全氟磺酰基乙烯基醚和四氟乙烯的共聚物经过碱洗和酸洗后得到。
[0007]通过采用上述技术方案，本申请与相关技术相比，使用全氟磺酰基乙烯基醚代替1,1,2,2
‑
四氟
‑2‑
(1,2,2
‑
三氟氧乙烯基)乙磺酰氟，制备了全氟磺酰基乙烯基醚和四氟乙烯的共聚物，并通过碱洗和酸洗得到了全氟磺酸树脂。在本申请的全氟磺酸树脂中，由于侧链长度增加，因此单位重量的全氟磺酸树脂中所含的磺酸基总量减少，有助于降低全氟磺酸树脂的生产成本。
[0008]本申请的全氟磺酸树脂与相关技术中的短侧链型全氟磺酸树脂相比，由于侧链长度增加，因此树脂制成的质子交换膜结晶度也有所下降，而退火处理能够提高质子交换膜
的结晶度，改善了质子交换膜对氢气渗透的抵抗效果，减小了燃料电池电极发电能力的衰减，有利于改善燃料电池电极的发电能力。同时，本申请的全氟磺酸树脂在经过退火处理之后更容易形成离子通道，因此也有助于改善燃料电池电极的发电能力。
[0009]作为优选，所述全氟磺酸树脂按照如下方法制备：(1)将全氟磺酰基乙烯基醚与溶剂混合，得到全氟磺酰基乙烯基醚溶液；(2)将引发剂、吸附剂与填充剂加入全氟磺酰基乙烯基醚溶液中，并向全氟磺酰基乙烯基醚溶液中通入四氟乙烯气体，然后加热并搅拌0.5
‑
2h，得到全氟磺酰氟树脂；本步骤中，吸附剂的组分包括改性凹凸棒土，所述改性凹凸棒土为表面接枝有不饱和有机链段的凹凸棒土，所述不饱和有机链段带有乙烯基；(3)将全氟磺酰氟树脂和碱溶液混合，搅拌23
‑
26h后得到碱型树脂，对碱型树脂进行水洗后再进行酸洗，再经过干燥后得到全氟磺酸树脂。
[0010]通过采用上述技术方案，本申请以改性凹凸棒土作为吸附剂，将吸附剂添加到了全氟磺酰基乙烯基醚和四氟乙烯的聚合体系中。在引发剂的作用下，全氟磺酰基乙烯基醚、四氟乙烯以及改性凹凸棒土的乙烯基之间发生共聚，最终得到了全氟磺酸树脂。改性凹凸棒土对全氟磺酰基乙烯基醚与四氟乙烯进行了吸附，并作为成核剂促进了全氟磺酰基乙烯基醚和四氟乙烯之间的共聚，有利于提高全氟磺酸树脂的结晶度。此外，改性凹凸棒土还改善了质子交换膜的吸水性能，有利于提高质子交换膜的含水率，从而提高了燃料电池电极的发电能力。
[0011]作为优选，所述改性凹凸棒土由浸渍过改性液的凹凸棒土经过干燥后得到，所述改性液的组分包括水和硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂的分子中含有乙烯基。
[0012]通过采用上述技术方案，本申请通过硅烷偶联剂对凹凸棒土进行处理，将含有乙烯基的有机链段接枝到了凹凸棒土表面，得到了改性凹凸棒土。通过硅烷偶联剂引入的有机链段，改性凹凸棒土与树脂之间具有了较好的相容性，减少了质子交换膜中的结构缺陷，有助于减少燃料电池电极发电能力的损失。
[0013]作为优选，所述改性液的组分还包括乙酸或乙基磺酸。
[0014]通过采用上述技术方案，乙酸和乙基磺酸均可对凹凸棒土进行酸化处理，增加了凹凸棒土的吸附性，有助于提高质子交换膜的含水率，从而增强了燃料电池电极的发电能力。当使用乙基磺酸对凹凸棒土进行酸化处理后，乙基磺酸能够吸附在凹凸棒土中，并掺杂在全氟磺酸树脂内。掺杂在全氟磺酸树脂内的乙基磺酸提高了全氟磺酸树脂的磺酸基含量，并且不对全氟磺酸树脂的侧链结构产生影响，有助于提高燃料电池电极的发电能力。
[0015]作为优选，所述改性凹凸棒土按照如下方法制备：(1)将乙基磺酸、水和乙烯基三乙氧基硅烷混合均匀，得到改性液，备用；(2)在改性液中浸渍凹凸棒土2
‑
3h，然后抽滤除去液相，滤饼经过破碎和干燥后得到改性凹凸棒土。
[0016]通过采用上述技术方案，本申请将乙基磺酸、水和乙烯基三乙氧基硅烷混合后得到了改性液，乙烯基磺酸在改性液中能够促进硅烷偶联剂水解，有利于乙烯基三乙氧基硅烷与凹凸棒土之间的偶联，从而增加了改性凹凸棒土表面的乙烯基含量，提高了全氟磺酸树脂的结晶度，有利于改善燃料电池电极的发电能力。
[0017]作为优选，所述填充剂的组分包括磷硅酸盐干凝胶，所述填充剂的组分包括磷硅
酸盐干凝胶，所述磷硅酸盐干凝胶按照如下方法制备：(1)将盐酸溶液、硅酸乙酯、无水乙醇搅拌均匀，得到原料液；(2)向原料液中加入磷酸，搅拌2
‑
3h后得到前体溶胶；(3)在45
‑
55℃将前体溶胶静置6
‑
8d，然后在150℃将前体溶胶烘干，得到磷硅酸盐干凝胶。
[0018]通过采用上述技术方案，本申请通过溶胶
‑
凝胶法制备了磷硅酸盐干凝胶，并将磷硅酸盐干凝胶作为填充剂的组分之一。在本申请的质子交换树脂溶液中，全氟磺酸树脂会吸收水分，而全氟磺酸树脂中的磷硅酸盐干凝胶在吸水后会缓慢释放磷酸，改性凹本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高燃料电池电极发电能力的质子交换树脂溶液，其特征在于，所述质子交换树脂溶液按照重量百分比计包括如下组分：全氟磺酸树脂25
‑
29%，乙醇40
‑
48%，水25
‑
33%，所述全氟磺酸树脂由全氟磺酰基乙烯基醚和四氟乙烯的共聚物经过碱洗和酸洗后得到。2.根据权利要求1所述的提高燃料电池电极发电能力的质子交换树脂溶液，其特征在于，所述全氟磺酸树脂按照如下方法制备：（1）将全氟磺酰基乙烯基醚与溶剂混合，得到全氟磺酰基乙烯基醚溶液；（2）将引发剂、吸附剂与填充剂加入全氟磺酰基乙烯基醚溶液中，并向全氟磺酰基乙烯基醚溶液中通入四氟乙烯气体，然后加热并搅拌0.5
‑
2h，得到全氟磺酰氟树脂；本步骤中，吸附剂的组分包括改性凹凸棒土，所述改性凹凸棒土为表面接枝有不饱和有机链段的凹凸棒土，所述不饱和有机链段带有乙烯基；（3）将全氟磺酰氟树脂和碱溶液混合，搅拌23
‑
26h后得到碱型树脂，对碱型树脂进行水洗后再进行酸洗，再经过干燥后得到全氟磺酸树脂。3.根据权利要求2所述的提高燃料电池电极发电能力的质子交换树脂溶液，其特征在于，所述改性凹凸棒土由浸渍过改性液的凹凸棒土经过干燥后得到，所述改性液的组分包括水和硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂的分子中含有乙烯基。4.根据权利要求3所述的提高燃料电池电极发电能力的质子交换树脂溶液，其特征在于，所述改性液的组分还包括乙酸或乙基磺酸。5.根据权利要求4所述的提高燃料电池电极发电能力的质子交换树脂溶液，其特征在于，所述改性凹凸棒土按照如下方法制备：（1）将乙基磺酸、水和乙烯基三乙氧基硅烷混合均匀，得到改性液，备用；（2）在改性液中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘子义，周丽丽，
申请(专利权)人：深圳市中仁能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：