一種燃料電池質子交換膜及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及燃料電池質子交換膜領域，具體涉及一種燃料電池質子交換膜及其制 備方法。
【背景技術】
[0002] 質子交換膜是質子交換膜燃料電池（PEMFC)中的關鍵部件之一，是一種致密的質 子選擇透過的功能膜，起著分隔燃料和氧化劑，防止它們直接發生反應作用，同時也起著 傳導質子對電子絕緣的作用。質子交換膜性能的優劣直接影響燃料電池性能的優劣，也是 制約燃料電池能否大規模商業化運營的關鍵問題之一。隨著對質子交換膜的深入研究和開 發，人們為了提高質子交換膜的質子電導率，提出了諸多的辦法，比如：對質子導電基體樹 脂進行改性處理，提高其質子導電性，添加具有高效質子導電率的物質，開發新的質子導電 材料等等，也取得了重大的進步，但同樣還存在許多未解決的缺陷限制其進行大規模的商 業化運營和生產。
[0003]在基體樹脂中添加具有高質子導電性的材料是解決質子交換膜質子導電率低的 主要手段之一，該方法能大大提高質子交換膜的質子導電率，具有廣闊的應用前景和實用 價值。現今在質子交換膜中添加的高質子導電率的材料多為固體雜多酸類物質，該類物質 具有高效的質子導電率和相容性，添加在基體樹脂中能大大提高質子交換膜的質子導電 率，性能優異，但由于雜多酸易溶于水的特性導致其在燃料電池使用過程中極易隨著反應 產物水的流失而流失，造成質子交換膜的質子導電性隨著燃料電池的使用快速下降，嚴重 影響了燃料電池的使用壽命，導致燃料電池的推廣使用受到限制。
[0004]中國專利公開號為CN1848504A公開了一種高溫質子交換膜燃料電池用復合質子 交換膜及其制備方法，該方法將雜多酸和磯酸氨鉛混合物與聚苯并咪哇（PBI)或賴化聚芳 氧基磯膳進行巧雜，制備復合型質子交換膜材料，然后通過流延法成膜。該方法制備的質子 交換膜具有廣泛的使用溫度和很好的阻醇性能，但由于是直接將雜多酸和磯酸氨鉛物理混 合后與聚苯并咪哇（PBI)或賴化聚芳氧基磯膳進行巧雜得到質子交換膜，雜多酸極易隨著 燃料電池中水的流失而流失，質子交換膜的質子導電性快速降低，嚴重影響燃料電池的放 電性能和使用壽命。
[0005]中國專利公開號為CN101034747A公開了一種無機質子交換膜燃料電池膜的制備 方法，該方法先將雜多酸與無機氧化物物理混合制備前驅體溶液，然后與無機質子傳導粉 末、熱塑性樹脂粘結劑熱壓制備成無機質子交換膜，該方法制備的膜電極工作溫度高，但由 于直接將雜多酸進行混合制備得到質子交換膜，雜多酸極易隨著燃料電池中水的流失而流 失，質子交換膜的質子導電性快速降低。
[0006]中國專利公開號為CN102376961A公開了一種高性能的高溫質子交換膜燃料電池 用聚合物高溫質子交換膜及其制備方法。該方法將制備得到的均相共混膜進行酸化（磯酸 或/和雜多酸）處理，使之具有良好的高溫質子導電性。該交換膜具有優異化學穩定性、熱 穩定性、機械性能和高溫質子導電性，但同樣質子交換膜中的雜多酸極易隨著燃料電池中 水的流失而流失，質子交換膜的質子導電性快速降低，使用壽命短，放電效率低。
[0007] 根據上述，現有的慘雜雜多酸的質子交換膜大部分存在雜多酸極易隨著燃料電池 中水的流失而流失，導致質子交換膜的質子導電性快速降低，使用壽命短的缺陷，因此，開 發一種質子交換膜中雜多酸不流失且具有穩定性好，質子電導率高、壽命長的質子交換膜 對燃料電池的推廣應用具有重要作用和商業價值。
【發明內容】
[0008] 本發明針對目前慘雜雜多酸的質子交換膜大部分存在雜多酸極易隨著燃料電池 中水的流失而流失，導致質子交換膜的質子導電性快速降低，使用壽命短的缺陷，提供一種 木質素燃料電池質子交換膜，與其它燃料電池質子交換膜相比，本發明加入了一種改性劑， 對雜多酸進行改性處理，然后添加到質子導電基體樹脂中，既保持雜多酸原有的質子導電 性，又能防止其與水一起流失，該質子交換膜具有質子導電率高，使用壽命長的優點。
[0009] 本發明進一步的目的是提供一種燃料電池質子交換膜的制備方法，該方法先對雜 多酸進行改性處理，再將通過改性處理的雜多酸慘雜到基體樹脂中，經過制膜工藝制得質 子交換膜，得到的質子交換膜具有質子電導性好和使用壽命長的優點，滿足質子交換膜在 燃料電池上的應用，且能大規模工業化生產，質量穩定，適合燃料電池對的推廣應用。
[0010] 本發明一種燃料電池質子交換膜，其特征在于含有通過改性劑中活潑的基團與雜 多酸中兩性的金屬離子在氨鍵和離子鍵的作用下形成的改性化合物，其原料重量份組成如 下： 基體樹脂 35-55份， 雜多酸 25-40份， 改性劑 10-25份， 增強纖維 5-15份， 其中所述的基體樹脂為賴化聚離諷、賴化聚離離麗、賴化聚苯并咪哇、賴化聚諷、 聚醜亞胺中的一種或多種；所述的雜多酸為HsGaWi2〇4。、HsPtWiAe、HyAssWisCWHsIWe〇24、 HsCeMoiAg、HeTeM〇e〇2沖的一種或多種；所述的改性劑為聚丙帰醜胺、月桂醇聚氧己帰離、 雙甘油聚丙二醇、N-甲基脂肪醜胺、予索氯胺中的一種或多種；所述的增強纖維為硫酸頓 纖維、氣碳聚合物纖維、碳化娃纖維中的一種或多種。
[0011] 本發明一種燃料電池質子交換膜的制備方法，其具體制備步驟如下： 1) 將重量份為25-40的雜多酸用適量蒸觸水完全溶解，形成溶液，加入重量份為 10-25重量份的改性劑，在溫度為80-95°C、轉速為150-20化/min的攬拌速度和紫外光照射 的條件下反應0. 5-比，壓濾，并真空干燥得到雜多酸改性化合物A; 2) 將重量份為35-55的基體樹脂用適量有機溶劑完全溶解后，加入步驟1)得到的雜多 酸改性化合物A和重量份為5-15的增強纖維，攬拌混合均勻后得到鑄膜液； 3) 將步驟2)得到的鑄膜液采用流延成膜的方法制成厚度為0. 5-2mm后的質子交換膜。
[0012] 在上述一種燃料電池質子交換膜的制備方法中，其中所述的有機溶劑為二甲基醜 胺、己二胺、異丙醇中的一種或多種。
[0013] 雜多酸是由不同的含氧酸縮合而制得的縮合含氧酸，是強度均勻的質子酸，具有 氧化還原的能力，具有很好的質子傳導性，慘雜在質子導電材料中制備質子交換膜能大幅 提高質子交換膜的質子導電性。本發明將雜多酸進行改性處理，利用紫外光的高能福射，改 性劑中活潑的基團與雜多酸中兩性的金屬離子在氨鍵和離子鍵的作用下，形成新的改性化 合物，該化合物具有雜多酸和改性劑的性能，雜多酸部分具有親水性，能傳導質子，改性劑 部分具有憎水性，不溶于水，能防止雜多酸溶解和流失，從而保證燃料電池在使用過程中質 子交換膜的導電性不會下降，燃料電池的使用壽命和性能都大大的提高，且該方法簡單方 便，成本低廉，能大規模工業化生產，質量穩定，適合燃料電池的推廣應用。
[0014] 本發明突出的特點和有益效果在于： 1、本發明質子交換膜含有通過改性劑中活潑的基團與雜多酸中兩性的金屬離子在氨 鍵和離子鍵的作用下形成的改性化合物。
[0015] 2、本發明解決了目前慘雜雜多酸的質子交換膜大部分存在雜多酸極易隨著燃料 電池中水的流失而流失，導致質子交換膜的質子導電性快速降低，使用壽命短的缺陷。
[0016] 3、本發明制備得到的質子交換膜具有優異的質子電導性且使用壽命長，且能大規 模工業化生產，質量穩定，適合燃料電池的推廣應用。
[0017] 表一；本發明與普通慘雜雜多酸燃料電池質子交換膜的性能對比
【主權項】
1. 一種燃料電池質子交換膜，其特征在于含有通過改性劑中活潑的基團與雜多酸中兩 性的金屬離子在氫鍵和離子鍵的作用下形成的改性化合物，其重量份組成如下： 基體樹脂 35-55份， 雜多酸 25-40份， 改性劑 10-25份， 增強纖維 5-15份， 其中所述的基體樹脂為磺化聚醚砜、磺化聚醚醚酮、磺化聚苯并咪唑、磺化聚砜、 聚酰亞胺中的一種或多種；所述的雜多酸為H5GaW1204Q、H2PtWn036、H7As2W18062、H5IW6C^ H8CeMon039、H6TeMo6O24中的一種或多種；所述的改性劑為聚丙烯酰胺、月桂醇聚氧乙烯醚、 雙甘油聚丙二醇、N-甲基脂肪酰胺、芐索氯胺中的一種或多種；所述的增強纖維為硫酸鋇 纖維、氟碳聚合物纖維、碳化硅纖維中的一種或多種。
2. -種燃料電池質子交換膜的制備方法，其具體制備步驟如下： 1) 將重量份為25-40的雜多酸用適量蒸餾水完全溶解，形成溶液，加入重量份為 10-25重量份的改性劑，在溫度為80-95°C、轉速為150-200r/min的攪拌速度和紫外光照射 的條件下反應〇. 5-lh，壓濾，并真空干燥得到雜多酸改性化合物A; 2) 將重量份為35-55的基體樹脂用適量有機溶劑完全溶解后，加入步驟1)得到的雜多 酸改性化合物A和重量份為5-15的增強纖維，攪拌混合均勻后得到鑄膜液； 3) 將步驟2)得到的鑄膜液采用流延成膜的方法制成厚度為0. 5-2mm后的質子交換膜。
3. 根據權利要求2 -種燃料電池質子交換膜的制備方法，其特征在于所述的溶劑為二 甲基酰胺、乙二胺、異丙醇中的一種或多種。
【專利摘要】一種燃料電池質子交換膜及制備方法。本發明對雜多酸進行改性處理，然后添加到質子導電基體樹脂中，既保持雜多酸原有的質子導電性，又能防止其與水一起流失，該質子交換膜具有質子導電率高，使用壽命長的優點，且該方法能大規模工業化生產，質量穩定，適合燃料電池對的推廣應用。
【IPC分類】H01M8-02, H01M8-10, C08J5-22
【公開號】CN104701560
【申請號】CN201510058803
【發明人】陳慶, 李興文
【申請人】成都新柯力化工科技有限公司
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年2月5日