CN103326043A - 一种复合离子交换膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合离子交换膜，包含聚偏氟乙烯、聚磺化苯乙烯酸和Nafion，其中各组分的重量比为聚偏氟乙烯5-12份、聚磺化苯乙烯酸3-6份、Nafion中的干物质8-20份，可以应用于甲醇或乙醇为燃料的液体燃料电池中，很大程度降低了甲醇透过率，同时工艺简单，膜的耐受性好，延长了使用寿命。

Description

一种复合离子交换膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合离子交换膜及其制备方法，属于燃料电池制造技术领域。
背景技术
直接甲醇燃料电池具有高效、高能量密度、环境友好、燃料储运及补充方便的特点，在手机、笔记本电脑、影像机等小型民用电源和军用电源灯方面具有极大的竞争优势，是目前各国政府优先发展的高新技术之一。
目前，Nafion（四氟乙烯和全氟-3，6-二环氧-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物）膜被广泛地用作质子交换燃料电池的电解质。它是一种全氟型磺化聚合物膜，这类材料具有较高的质子电导率，良好的力学强度，优异的化学和电化学稳定性等优点。但是甲醇透过Nafion膜后，不但氧阴极处产生混合电位，引起阴极催化剂中毒，导致阴极极化增加，电池性能降低，而且透过的甲醇未经反应从电池中排出，既浪费燃料又污染环境。甲醇透过Nafion膜是直接甲醇燃料电池应用的主要技术问题之一。为解决该问题，有研究者将一层致密的不透甲醇的质子导体夹在两层Nafion膜之间形成复合电解质膜来消除甲醇透过。但是由于不同层之间的结合和膜厚度的增加，会使电解质膜的导质子性能降低。另有研究者采用刻蚀溅射法在Nafion膜表面修饰一层金属钯来降低甲醇透过，但该方法存在钯和Nafion膜表面结合不牢固和钯的用量相对较大等缺点。
 
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的不足，提供了一种复合离子交换膜，其不仅具有很好的阻醇效果，而且具有宽范围的优良导电度，很适合用于以甲醇或乙醇为燃料的燃料电池中。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种复合离子交换膜，其特征在于，包含聚偏氟乙烯、聚磺化苯乙烯酸和Nafion，其中各组分的重量比为聚偏氟乙烯5-12份、聚磺化苯乙烯酸3-6份、Nafion中干物质8-20份。
所述的离子交换膜，其特征在于，具有以下重量份的组分：聚偏氟乙烯8-10份、聚磺化苯乙烯酸4-5份、Nafion中干物质16-18份。
一种所述的离子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）取聚偏氟乙酸，溶解于二甲基乙酰胺中，静置8-12h后脱泡，用相转化法在水平玻璃板上成膜，成膜后用去离子水浸泡18-24h，于去离子水中静置待用；
（2）将聚磺化苯乙烯酸溶于丁醇和甲苯的混合液中，加入Nafion溶液，搅拌2h后加入步骤（1）中去离子水中浸泡的膜，搅拌10-12h；
（3）将步骤（2）得到的搅拌后的混合液减压蒸馏浓缩，将浓缩液在常温条件下自然干燥成膜；
（4）将步骤（3）得到的混合膜于去离子水中浸泡清洗2-4h，然后取出于100℃条件下烘干2h韧化，即得。
所述的复合离子交换膜应用于甲醇或乙醇为燃料的液体燃料电池中。
 
有益效果：
（1）本发明克服了Nafion膜阻醇性差的缺点，提高了膜的使用效率。
（2）本发明与目前的全氟磺酸膜相比，参杂了其他成膜材料，降低了Nafion的使用量，从而减少了离子交换膜的成本。
（3）本发明工艺简单易行，所得到的复合膜具有更好的电子传导率以及更好的耐受性，提高了膜的使用寿命。
 
附图说明
图1是本发明的复合膜的甲醇渗透系数随温度的变化情况
图2是本发明的复合膜的导电率随温度的变化情况
具体实施方式：
实施例1
一种复合离子交换膜，具有以下重量份的组分：
聚偏氟乙烯5份、聚磺化苯乙烯酸3份、Nafion中干物质8份。
（1）按照上述重量份，称取聚偏氟乙烯5份，将其溶解于30份二甲基乙酰胺中，静置8h后脱泡，用相转化法在水平玻璃板上成膜，成膜后用去离子水浸泡18h，于去离子水中静置待用。
（2）取聚磺化苯乙烯酸3份，溶于由3份丁醇和9份甲苯（v:v）组成的混合液中，加入折算后的Nafion溶液，搅拌2h后加入步骤（1）中去离子水中浸泡的膜，慢速搅拌10h。
（3）将步骤（2）得到的搅拌后的混合液减压蒸馏浓缩，条件为60℃，控制压强在0.08-0.1MPa，将浓缩液在常温条件下自然干燥成膜。
（4）将步骤（3）得到的混合膜30份于去离子水中浸泡清洗2h，然后取出于100℃条件下烘干2h韧化，即得。
 
实施例2
一种复合离子交换膜，具有以下重量份的组分：
聚偏氟乙烯8份、聚磺化苯乙烯酸4份、Nafion中干物质16份
（1）按照上述组分，取聚偏氟乙烯8份，将其溶解于40份二甲基乙酰胺中，静置10h后脱泡，用相转化法在水平玻璃板上成膜，成膜后用去离子水浸泡19h，于去离子水中静置待用。
（2）取聚磺化苯乙烯酸4份溶于5份丁醇和8份甲苯（v:v）的混合液中，加入折算后的Nafion溶液，搅拌3h后加入步骤（1）中去离子水中浸泡的膜，慢速搅拌11h。
（3）将步骤（2）得到的搅拌后的混合液减压蒸馏浓缩，条件为60℃，控制压强在0.08-0.1MPa，将浓缩液在常温条件下自然干燥成膜。
（4）将步骤（3）得到的混合膜于30份去离子水中浸泡清洗3h，然后取出于105℃条件下烘干3h韧化，即得。
 
实施例3
一种复合离子交换膜，具有以下重量份的组分：
聚偏氟乙烯9份、聚磺化苯乙烯酸5份、Nafion中干物质17份
（1）按照上述重量份，称取聚偏氟乙烯9份，将其溶解于50份二甲基乙酰胺中，静置12h后脱泡，用相转化法在水平玻璃板上成膜，成膜后用去离子水浸泡20h，于去离子水中静置待用。
（2）取聚磺化苯乙烯酸5份溶于12份丁醇和4份甲苯（v:v）组成的混合液中，加入折算后的Nafion溶液，搅拌3h后加入步骤（1）中去离子水中浸泡的膜，慢速搅拌12h。
（3）将步骤（2）得到的搅拌后的混合液减压蒸馏浓缩，条件为60℃，控制压强在0.08-0.1MPa，将浓缩液在常温条件下自然干燥成膜。
（4）将步骤（3）得到的混合膜于去离子水中浸泡清洗3h，然后取出于110℃条件下烘干2h韧化，即得。
 
实施例4
一种复合离子交换膜，具有以下重量份的组分：
聚偏氟乙烯10份、聚磺化苯乙烯酸5份、Nafion中干物质18份
（1）按照上述的重量份，称取聚偏氟乙烯10份，将其溶解于60份二甲基乙酰胺中，静置12h后脱泡，用相转化法在水平玻璃板上成膜，成膜后用去离子水浸泡22h，于去离子水中静置待用。
（2）取聚磺化苯乙烯酸5份溶于6份丁醇和10份甲苯（v:v）组成的混合液中，加入Nafion溶液，搅拌4h后加入步骤（1）中去离子水中浸泡的膜，慢速搅拌12h。
（3）将步骤（2）得到的搅拌后的混合液减压蒸馏浓缩，条件为60℃，控制压强在0.08-0.1MPa，将浓缩液在常温条件下自然干燥成膜。
（4）将步骤（3）得到的混合膜于去离子水中浸泡清洗3h，然后取出于120℃条件下烘干3h韧化，即得。
 
实施例5
一种复合离子交换膜，具有以下重量份的组分：
聚偏氟乙烯12份、聚磺化苯乙烯酸6份、Nafion中干物质20份
（1）按照上述的重量份，称取聚偏氟乙烯12份，将其溶解于60份二甲基乙酰胺中，静置12h后脱泡，用相转化法在水平玻璃板上成膜，成膜后用去离子水浸泡24h，于去离子水中静置待用。
（2）取聚磺化苯乙烯酸6份溶于12份丁醇和15份甲苯（v:v）组成的混合液中，加入Nafion溶液，搅拌4h后加入步骤（1）中去离子水中浸泡的膜，慢速搅拌12h。
（3）将步骤（2）得到的搅拌后的混合液减压蒸馏浓缩，条件为60℃，控制压强在0.08-0.1MPa，将浓缩液在常温条件下自然干燥成膜。
（4）将步骤（3）得到的混合膜于去离子水中浸泡清洗4h，然后取出于120℃条件下烘干3h韧化，即得。
 试验例
对于本发明的复合膜，我们进行了甲醇透过系数以及导电率随温度变化情况的测定，见图1与图2。
可以看出复合膜的甲醇透过系数随着温度的升高而增大，65 ℃时，其甲醇渗透系数低于它的10 -7 cm2/s  。这主要是由于复合膜的甲醇溶胀率小于它的含水率，即甲醇分子对离子交换膜的吸附力弱于水分子，膜中亲水性基团OH-大部分与水分子紧密结合，减小了与甲醇分子的键合机会，阻碍了甲醇的吸附作用。复合膜的导电率随温度的升高而升高，95℃时仍能保持较高的电导率。

Claims (5)

1.一种复合离子交换膜，其特征在于，包含聚偏氟乙烯、聚磺化苯乙烯酸和Nafion，其中各组分的重量份为聚偏氟乙烯5-12份、聚磺化苯乙烯酸3-6份、Nafion中的干物质8-20份。
2.根据权利要求1所述的离子交换膜，其特征在于，具有以下重量份的组分：聚偏氟乙烯8-10份、聚磺化苯乙烯酸4-5份、Nafion中干物质16-18份。
3.一种权利要求1或2所述的离子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）取聚偏氟乙酸，溶解于二甲基乙酰胺中，静置8-12h后脱泡，用相转化法成膜，成膜后用去离子水浸泡18-24h，于去离子水中静置待用；
（2）将聚磺化苯乙烯酸溶于丁醇和甲苯的混合液中，加入Nafion溶液，搅拌2-4h后加入步骤（1）去离子水中浸泡的膜，搅拌10-12h；
（3）将步骤（2）得到的搅拌后的混合液减压蒸馏浓缩，将浓缩液在常温条件下自然干燥成膜；
（4）将步骤（3）得到的混合膜于去离子水中浸泡清洗2-4h，然后取出于100-120℃条件下烘干2-3h韧化，即得。
4.根据权利要求3所述的离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述的减压蒸馏浓缩温度为60℃，真空度为0.08-0.1MPa；丁醇和甲苯的混合液体积比（v：v）范围为1:3-3:1。
5.根据权利要求1或2所述的复合离子交换膜应用于甲醇或乙醇为燃料的液体燃料电池中。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1330425A (zh) * 2001-06-29 2002-01-09 清华大学 一种聚偏氟乙烯枝接聚苯乙烯磺酸质子交换膜的制备方法
CN1385459A (zh) * 2002-05-09 2002-12-18 华南理工大学 低温直接甲醇燃料电池用聚苯乙烯磺酸膜及其制备方法
CN1416186A (zh) * 2001-10-29 2003-05-07 中国科学院大连化学物理研究所 燃料电池用质子交换膜复合膜制备方法
CN1893157A (zh) * 2005-06-28 2007-01-10 三星Sdi株式会社 聚合物膜、燃料电池用的薄膜电极组件及含其的燃料电池系统
CN1896317A (zh) * 2006-06-22 2007-01-17 上海交通大学 用聚合物电解质膜电解有机物水溶液制氢的方法
CN102122720A (zh) * 2011-01-25 2011-07-13 厦门大学 含氟丙烯酸酯聚合物阴离子交换膜及其制备方法
CN102181069A (zh) * 2011-04-12 2011-09-14 北京大学 两性离子交换膜的制备方法
US20130224632A1 (en) * 2011-07-11 2013-08-29 California Institute Of Technology Novel separators for electrochemical systems

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1330425A (zh) * 2001-06-29 2002-01-09 清华大学 一种聚偏氟乙烯枝接聚苯乙烯磺酸质子交换膜的制备方法
CN1416186A (zh) * 2001-10-29 2003-05-07 中国科学院大连化学物理研究所 燃料电池用质子交换膜复合膜制备方法
CN1385459A (zh) * 2002-05-09 2002-12-18 华南理工大学 低温直接甲醇燃料电池用聚苯乙烯磺酸膜及其制备方法
CN1893157A (zh) * 2005-06-28 2007-01-10 三星Sdi株式会社 聚合物膜、燃料电池用的薄膜电极组件及含其的燃料电池系统
CN1896317A (zh) * 2006-06-22 2007-01-17 上海交通大学 用聚合物电解质膜电解有机物水溶液制氢的方法
CN102122720A (zh) * 2011-01-25 2011-07-13 厦门大学 含氟丙烯酸酯聚合物阴离子交换膜及其制备方法
CN102181069A (zh) * 2011-04-12 2011-09-14 北京大学 两性离子交换膜的制备方法
US20130224632A1 (en) * 2011-07-11 2013-08-29 California Institute Of Technology Novel separators for electrochemical systems

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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李磊等: ""直接甲醇燃料电池新型聚合物膜的研究"", 《ELECTROCHEMISTRY》 *

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