一種耐溫質子交換膜製備方法
2023-06-16 13:10:41
專利名稱：一種耐溫質子交換膜製備方法
技術領域：
本發明屬於燃料電池材料製備技術範圍，特別涉及用聚合物與無機材料進行摻雜來製備質子交換膜的一種耐溫質子交換膜製備方法。
背景技術：
為了提高現有質子交換膜的使用溫度，提高燃料電池的比功率，摻雜無機物是通用的一種方法。為了使無機物與高分子聚合物混合均勻、穩定，現有技術中解決的方法是採用溶膠-凝膠工藝。溶膠-凝膠法涉及作為反應物的氧化物或氫氧化物濃溶膠的製備，以及通過除去溶劑使其轉化為半硬或凝膠的過程，將雜多酸溶解在有機溶劑中，經過水解與縮聚而逐漸凝膠化，在經過乾燥等後處理工序，最後製得所需的材料。它存在一些不足之處，如工藝參數的控制極為困難，難以實行大型工業化生產，原材料極為昂貴等等，這些因素不同程度上都限制著它的發展。
發明內容
本發明的目的是提供一種耐溫質子交換膜製備方法，其特徵在於將高分子聚合物溶到溶劑中，加入無機物，形成懸浮物。通過納米破碎技術對該懸浮物進行破碎，得到分散均勻的混合物，澆注制膜，固化，水中脫膜即得到耐溫質子交換膜；其耐溫質子交換膜製備步驟為1).將高分子聚合物、雜多酸、無機材料以1-2∶2-4∶4-6的比例溶在有機溶劑中，形成預混物；2).用60-380Mpa的超高壓混合預混物；3).導入超聲波，在微米、納米顆粒上加載多種複合作用力，進行高分子材料的納米粒徑破碎和整鏈處理；4).將以上形成的漿料在室溫下澆注成膜，室溫下固化2-6小時，然後在惰性氣氛中，100-300℃下或在100pa真空中，100-150℃下固化2-8小時，冷卻至室溫，水中脫膜。
所述高分子聚合物為聚醚酮、聚醚碸、聚偏氟乙烯、聚氧乙烯醚、聚苯並咪唑、聚醯亞胺、聚碸的任意一種，或2-3種的複合物。
所述雜多酸如磷鎢酸、矽鎢酸、磷鉬酸與由複合陰離子如PMo12O403-和水合陽離子如H3·nH2O3+組成的無機物。
所用溶劑為二甲基甲醯胺、二甲基乙醯胺、二甲基亞碸、N-甲基吡咯烷酮中的任意一種。
本發明的有益效果是用聚合物與無機材料進行摻雜來製備質子交換膜的技術，用高溫聚合物作為質子交換膜的高分子材料，將無機材料固定到雜環高分子網絡中形成高離子傳導性的新型網絡型高分子固體電解質體系，其形成的膜結構相當緻密。可用於質子交換膜燃料電池作為質子交換膜，提高燃料電池用質子交換膜的成膜性、穩定性和使用溫度，使電堆具有更好的電化學穩定性和可靠性，提高燃料電池的比功率。
具體實施實例本發明為一種耐溫質子交換膜的製備方法。將高分子聚合物溶到溶劑中，加入無機物，形成懸浮物。通過納米破碎技術對該懸浮物進行破碎，得到分散均勻的混合物，用澆注法制膜，固化，水中脫膜即得到耐溫質子交換膜；其耐溫質子交換膜製備步驟為1).將高分子聚合物、雜多酸、無機材料以1-2∶2-4∶4-6的比例溶在有機溶劑中，形成預混物；2).用60-380Mpa的超高壓混合預混物；3).導入超聲波，給微米、納米顆粒加複合作用力，進行高分子材料的納米粒徑破碎和整鏈處理；4).將以上形成的漿料室溫下澆注成膜後，室溫下固化2-6小時，然後在惰性氣氛中，100-300℃下或在100pa真空中，100-150℃下固化2-8小時，冷卻至室溫，水中脫膜。
所述高分子聚合物為聚醚酮、聚醚碸、聚偏氟乙烯、聚氧乙烯醚、聚苯並咪唑、聚醯亞胺、聚碸的任意一種，或2~3種的複合物。
所述雜多酸如磷鎢酸、矽鎢酸、磷鉬酸與由複合陰離子(如PMo12O403-)和水合陽離子(如H3·nH2O3+)組成的無機物。
所用溶劑為二甲基甲醯胺、二甲基乙醯胺、二甲基亞碸、N-甲基吡咯烷酮中的任意一種。
下面舉實例對本發明予以說明實例11)將2份高分子聚合物聚苯並咪唑、3份雜多酸磷鉬酸、和5份二氧化矽溶在有機溶劑二甲基甲醯胺中，形成預混物；2)用12Mpa的超高壓混合預混物；3)導入超聲波，給微米、納米顆粒加複合作用力，進行高分子材料的納米粒徑破碎和整鏈處理；4)將以上形成的漿料室溫下澆注成膜後，室溫下固化2小時，然後惰性氣氛120℃下固化4小時，冷卻至室溫，水中脫膜，得到耐溫質子交換膜。實例21)將2份高分子聚合物聚醚酮、3份雜多酸矽鎢酸、和5份二氧化矽溶在有機溶劑二甲基亞碸中，形成預混物；2)用100Mpa的超高壓混合預混物；3)導入超聲波，給微米、納米顆粒加複合作用力，進行高分子材料的納米粒徑破碎和整鏈處理；4)將以上形成的漿料室溫下澆注成膜後，室溫下固化4小時，然後惰性氣氛180℃下固化4小時，冷卻至室溫，水中脫膜，得到耐溫質子交換膜。實例31)將2份高分子聚合物聚醯亞胺、3份雜多酸磷鎢酸、和5份二氧化矽溶在有機溶劑二甲基乙醯胺中，形成預混物；2)用120Mpa的超高壓混合預混物；
3)導入超聲波，給微米、納米顆粒加複合作用力，進行高分子材料的納米粒徑破碎和整鏈處理；4)將以上形成的漿料室溫下澆注成膜後，室溫下固化3小時，然後惰性氣氛250℃下固化4小時，冷卻至室溫，水中脫膜，得到耐溫質子交換膜。實例41)將2份高分子聚合物聚醯亞胺、3份雜多酸磷鎢酸、和5份二氧化矽溶在有機溶劑二甲基乙醯胺中，形成預混物；2)用120Mpa的超高壓混合預混物；3)導入超聲波，給微米、納米顆粒加複合作用力，進行高分子材料的納米粒徑破碎和整鏈處理；4)將以上形成的漿料室溫下澆注成膜後，室溫下固化3小時，然後在100pa真空中，150℃下固化3小時，冷卻至室溫，水中脫膜，得到耐溫質子交換膜。
權利要求
1.一種耐溫質子交換膜製備方法，其特徵在於將高分子聚合物溶到溶劑中，加入無機物，形成懸浮物，通過納米破碎技術對該懸浮物進行破碎，得到分散均勻的混合物，澆注制膜，固化，水中脫膜即得到耐溫質子交換膜；其耐溫質子交換膜製備步驟為1).將高分子聚合物、雜多酸、無機材料以1-2∶2-4∶4-6的比例溶在有機溶劑中，形成預混物；2).用60-380Mpa的超高壓混合預混物；3).導入超聲波，在微米、納米顆粒上加載多種複合作用力，進行高分子材料的納米粒徑破碎和整鏈處理；4).將以上形成的漿料在室溫下澆注成膜，室溫下固化2-6小時，然後在惰性氣氛中，100-300℃下或在100pa真空中，100-150℃下固化2-8小時，冷卻至室溫，水中脫膜。
2.根據權利要求1所述耐溫質子交換膜製備方法，其特徵在於所述高分子聚合物為聚醚酮、聚醚碸、聚偏氟乙烯、聚氧乙烯醚、聚苯並咪唑、聚醯亞胺、聚碸的任意一種，或2-3種的複合物。
3.根據權利要求1所述耐溫質子交換膜製備方法，其特徵在於所述雜多酸如磷鎢酸、矽鎢酸、磷鉬酸與由複合陰離子如PMo12O403-和水合陽離子如H3·nH2O3+組成的無機物。
4.根據權利要求1所述耐溫質子交換膜製備方法，其特徵在於所用溶劑為二甲基甲醯胺、二甲基乙醯胺、二甲基亞碸、N-甲基吡咯烷酮中的任意一種。
全文摘要
本發明公開了屬於燃料電池材料製備技術範圍的用聚合物與無機材料進行摻雜來製備質子交換膜的一種耐溫質子交換膜的製備方法。其製備是將膜基體高分子聚合物溶到溶劑中，加入無機物，形成懸浮物。通過納米破碎技術對該懸浮物進行破碎，得到分散均勻的混合物，用澆注法制膜。這種技術是用高溫聚合物作為質子交換膜的高分子材料，將微米、亞微米、納米、亞納米的無機物質等按一定比例共存、混合，將無機材料固定到雜環高分子網絡中形成高離子傳導性的新型網絡型高分子固體電解質體系，其形成的膜結構相當緻密。本發明可用於質子交換膜燃料電池作為質子交換膜，提高燃料電池用質子交換膜的成膜性、穩定性和使用溫度，使電堆具有更好的電化學穩定性和可靠性，提高燃料電池的比功率。提高質子交換膜的耐甲醇滲透能力、成膜性和使用壽命。降低了燃料電池的成本，為燃料電池商業化應用提供了可能。
文檔編號B01D67/00GK1461070SQ0313661
公開日2003年12月10日 申請日期2003年5月19日 優先權日2003年5月19日
發明者謝曉峰, 毛宗強, 徐景明, 張迪, 王兆海 申請人:清華大學