质子交换膜组合物制造技术

本发明专利技术提供了一种质子交换膜组合物

【技术实现步骤摘要】
质子交换膜组合物、质子交换膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及质子交换膜
，具体而言，涉及一种质子交换膜组合物
、
质子交换膜及其制备方法
。

技术介绍

[0002]质子交换膜
(PEM)
燃料电池因其高能量转换效率和低温运行而备受关注
。
其中，质子交换膜一般为固态有机电解质膜，其作用是隔离燃料与氧化剂
、
传递质子
(H
+
)。
作为
PEM
燃料电池的核心部件，
PEM
的质子传导性直接影响电池性能，
PEM
的耐久性直接决定电池寿命，而寿命是燃料电池能否商业化的一个重要因素
。
[0003]丰田在
2014
年推出了由
PEMFC
驱动的
Mirai
，这是世界上第一款量产的燃料电池汽车，寿命达到
5000
小时
。
近几年，随着燃料电池汽车的快速发展，燃料电池电堆技术也在不断变化，人们追求更高功率密度和寿命的燃料电池电堆，对质子交换膜的耐久性要求再度提高
。
然而在实际应用中，
PEM
工作极为恶劣，质子交换膜极容易降解
。
膜降解可分为物理降解和化学降解，物理降解通常是由机械应力
、
气体冲击和湿度变化引起
。
化学降解是指聚合物侧链的磺酸基团，主链上的叔碳和羧基被r/>·
OH、
·
H
和
·
OOH
等活性自由基攻击而发生降解，活性自由基通常在燃料电池运行过程中产生，化学降解将导致
PEM
变薄和电池开路电压
(OCV)
降低，这将严重影响电池的性能和寿命
。
[0004]目前，在膜中掺杂自由基清除剂能够消除
·
OH、
·
H
和
·
OOH
等活性自由基，其中最常用的就是掺杂金属氧化物纳米颗粒
。
但使用金属氧化物纳米颗粒掺杂时，由于无机材料与有机的质子交换膜树脂之间本征的不相容性，很难将金属氧化物纳米颗粒在质子交换膜树脂中分散均匀
。
质子交换膜长时间运行后，金属氧化物纳米颗粒不可避免的会流失，最终失效
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种质子交换膜组合物
、
质子交换膜及其制备方法，以解决现有技术中的质子交换膜的电导率低
、
寿命短的问题
。
[0006]为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种质子交换膜组合物，以重量份数计，该质子交换膜组合物包括
10
份的树脂
、0.01
～
0.5
份的金属氧化物纳米颗粒
、0.001
～
0.05
份的硅烷偶联剂以及
30
～
90
份的溶剂
。
[0007]进一步地，上述硅烷偶联剂的化学式为
Y
‑
R
‑
Si(OR1)3，其中，
Y
选自
‑
NH2、
‑
SH、
‑
H2NCONH
中的任意一种或多种；
R
选自
C1～
C8的直链亚烷基
、C3～
C8的支链亚烷基
、C3～
C
10
的亚环烷基
、C6～
C
24
的亚芳基中的任意一种或多种；
R1选自
C1～
C6的直链烷基
、C3～
C6的支链烷基中的任意一种或多种；优选
R
选自
C1～
C4的直链亚烷基
、C3～
C5的支链亚烷基
、C3～
C6的亚环烷基
、C6～
C
12
的亚芳基中的任意一种或多种；优选
R1选自
C1～
C6的直链烷基
、C3～
C6的支链烷基中的任意一种或多种
。
[0008]进一步地，上述金属氧化物纳米颗粒选自
MnO2、CeO2、Cr2O3、CoO、NiO
中的任意一种
或多种，优选金属氧化物纳米颗粒表面包括羟基，羟基的摩尔含量为金属氧化物纳米颗粒摩尔含量的
0.1
～
10
％
。
[0009]进一步地，上述质子交换膜组合物还包括
0.01
～
0.5
份磺化的无机氧化物颗粒；优选磺化的无机氧化物颗粒为磺化的
SiO2颗粒和
/
或磺化的
TiO2颗粒
。
[0010]进一步地，上述树脂选自全氟磺酸树脂
、
聚酰亚胺树脂
、
磺化聚酰亚胺树脂
、
磺化聚醚醚酮树脂
、
磺化聚苯硫醚树脂
、
磺化聚苯乙烯树脂
、
聚苯并咪唑
、
磺化聚苯并咪唑中的任意一种或多种
。
[0011]进一步地，上述溶剂为水与有机溶剂的混合溶剂，优选水的质量为混合溶剂总质量的
20
～
40
％，优选有机溶剂选自选乙醇
、
异丙醇
、
正丙醇
、N,N
‑
二甲基甲酰胺
、N,N
‑
二甲基乙酰胺
、
二甲基亚砜
、
苯
、
四氢呋喃中的任意一种或多种
。
[0012]根据本专利技术的另一个方面，提供了一种质子交换膜，由组合物混合制备得到，该组合物为上述的质子交换膜组合物
。
[0013]根据本专利技术的又一个方面，提供了一种上述质子交换膜的制备方法，该制备方法包括：步骤
S1
，将包括硅烷偶联剂
、
金属氧化物纳米颗粒与溶剂的第一原料进行第一混合，得到硅烷偶联剂改性的金属氧化物纳米颗粒的分散液；步骤
S2
，将包括分散液与含树脂的第二原料进行第二混合，得到改性树脂浆料；以及步骤
S3
，将改性树脂浆料在基底上成型，得到质子交换膜
。
[0014]进一步地，上述步骤
S2
中，第二原料还包括磺化的无机氧化物颗粒，优选将分散液与磺化的无机氧化物颗粒混合后再与树脂进行混合；优选树脂浆料的固含量为5～
25wt
％；优选第二混合的搅拌转速为
100
～
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种质子交换膜组合物，其特征在于，以重量份数计，所述质子交换膜组合物包括：
10
份的树脂；
0.01
～
0.5
份的金属氧化物纳米颗粒；
0.001
～
0.05
份的硅烷偶联剂；以及
30
～
90
份的溶剂
。2.
根据权利要求1所述的质子交换膜组合物，其特征在于，所述硅烷偶联剂的化学式为
Y
‑
R
‑
Si(OR1)3，其中，
Y
选自
‑
NH2、
‑
SH、
‑
NHCONH2中的任意一种或多种；
R
选自
C1～
C8的直链亚烷基
、C3～
C8的支链亚烷基
、C3～
C
10
的亚环烷基
、C6～
C
24
的亚芳基中的任意一种或多种；
R1选自
C1～
C6的直链烷基
、C3～
C6的支链烷基中的任意一种或多种
。3.
根据权利要求1所述的质子交换膜组合物，其特征在于，所述金属氧化物纳米颗粒选自
MnO2、CeO2、Cr2O3、CoO、NiO
中的任意一种或多种，和
/
或所述金属氧化物纳米颗粒表面包括羟基，所述羟基的摩尔含量为所述金属氧化物纳米颗粒摩尔含量的
0.1
～
10
％
。4.
根据权利要求1至3中任一项所述的质子交换膜组合物，其特征在于，所述质子交换膜组合物还包括
0.01
～
0.5
份磺化的无机氧化物颗粒；和
/
或所述磺化的无机氧化物颗粒为磺化的
SiO2颗粒和
/
或磺化的
TiO2颗粒
。5.
根据权利要求1至3中任一项所述的质子交换膜组合物，其特征在于，所述树脂选自全氟磺酸树脂
、
聚酰亚胺树脂
、
磺化聚酰亚胺树脂
、
磺化聚醚醚酮树脂
、
磺化聚苯硫醚树脂
、
磺化聚苯乙烯树脂
、
聚苯并咪唑
、
磺化聚苯并咪唑中的任意一种或多种
。6.
根据权利要求1至3中任一项所述的质子交换膜组合物，其特征在于，所述溶剂为水与有机溶剂的混合溶剂，和
/
或所述水的质量为所述混合溶剂总质量的
20
～
40
％，和
/
或所述有...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈云龙，刘彰鸣，夏丰杰，刘昊，倪江鹏，许燃，陈星，李道喜，唐浩林，周明正，
申请(专利权)人：武汉绿动氢能能源技术有限公司，
类型：发明
国别省市：