CN103887536A - 一种无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法 - Google Patents

一种无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于燃料电池的零部件范围的一种无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法。将杂多酸与氧化铈混合物与聚苯并咪唑进行掺杂，制备杂化质子交换膜材料，然后通过流延法成膜。本发明所制备的质子交换膜具有良好的尺寸稳定性和耐热性，可在室温～200℃范围内使用，具有使用温度范围广而化学稳定性好的特点。本发明制备工艺简单，材料成本低，可以应用于高温质子交换膜燃料电池中。

Description

一种无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池的零部件范围，特别涉及一种无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种拥有较高能量转换效率的电化学装置，其环境友好，能广泛被应用于移动式或固定式的电源。质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心部件，它即作为隔离膜分开燃料和氧化剂，防止他们直接发生反应，更作为电解质传导质子。其性能的好坏直接影响电池的性能，而且对降低电池成本、减小电池内阻以及提高能量转换效率等均至关重要。目前常用的PEM是杜邦公司生产的Nafion膜，Nafion膜具有优异的机械性能、良好的稳定性、耐氧化稳定性以及较高的电导率。但由于它只能在80℃以下使用，因而质子交换膜燃料电池只能在较低温度下进行(80℃以下)，可能电池在运行过程中产生催化剂中毒及水管理系统复杂等问题。
近年来，研究者正致力于开发高温质子交换膜，因为随着质子交换膜工作温度区间的提高，给PEMFC会带来一系列的优势，在系统和热利用方面表现为：简化冷却系统；可有效利用废热；降低重整系统水蒸气使用量。在电化学方面表现为：有利于CO在阳极的氧化与脱附，提高抗CO的能力；降低阴极的氧化还原过电位；提高催化剂活性；提高膜的质子导电能力。
随着人们对高温质子交换膜燃料电池认识的加深，开发新型耐热、化学稳定性强的质子交换膜正受到越来越多的研究工作者的重视。
发明内容
本发明的目的提供一种无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法是一种能够在200℃及以下的较高温度下使用的无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法；具体包括如下步骤：
1)先将杂多酸和氧化铈混合物在极性溶液中搅拌、超声混合均匀，配制成溶液或者悬浮液其中，杂多酸和氧化铈按照质量比为1:2混合；
2)将聚苯并咪唑溶于极性溶剂中，配成质量浓度为1-80%的高分子溶液备用；
3)在上述高分子溶液中加入聚苯并咪唑重量1-5%的杂多酸和氧化铈混合物，加热、搅拌、超声，得到质子交换膜溶液；
4)对于含聚苯并咪唑的质子交换膜溶液，用流延法，涂浆法或者浸胶法得到所需的无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜。
所述聚苯并咪唑为SPBI或ABPBI。
所述极性溶剂为：二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、三氟乙酸、N-甲基吡咯烷酮、和甲烷磺酸的至少一种。
所述杂多酸是指具有质子交换功能的CsxH3-xBM12的化合物，其中0<x<3；B为P、Si或As；M为Mo、W或V。
所述的氧化铈是指一种纳米颗粒，10nm≤粒径尺寸≤100nm。
所述步骤3）中加热温度为60-200℃；搅拌20-60分钟；超声20-40分钟。
本发明的有益效果是与现有的材料和技术相比具有如下优点：
1）膜的质子传导率高，本发明掺杂的杂多酸目的是提高膜的质子导电率，达到质子交换膜燃料电池对质子交换膜的要求；本发明的无机材料杂化聚苯并咪唑质子交换膜具有较高的质子传导率。
2）膜的稳定性好，聚苯并咪唑具有良好的热稳定性和化学稳定性，本发明提出的制备方法制成的质子交换膜可以在200℃使用，同时加入的氧化铈可以作为自由基淬灭剂，使电池在运行中降低膜表面的自由基含量，防止膜的化学降解，增加膜的使用寿命，从而增加电池的运行周期。
3）制备工艺简单，成本低。本发明将杂多酸和氧化铈混合物与聚苯并咪唑进行掺杂，制备杂化的质子交换膜材料，通过流延法成膜，制备工艺简单，材料成本低；
4）本发明的无机材料杂化聚苯并咪唑质子交换膜可用于高温质子交换膜燃料电池中，将推动高温质子交换膜燃料电池的发展。
具体实施方式
本发明提供一种无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法，下面结合具体实施例子对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1、
将含磷钼酸的杂多酸和氧化铈（粒径20nm）混合物，分散在二甲基亚砜溶液中，搅拌30分钟，超声（频率：3000赫兹）30分钟混合均匀；其中含磷钼酸的杂多酸和氧化铈按照质量比为1:2混合；将一定量的聚苯并咪唑（SPBI）溶于二甲基亚砜溶液中配制成75%的高分子溶液备用；将聚苯并咪唑（SPBI）的高分子溶液和重量相当于高分子溶液里聚苯并咪唑（SPBI）含量1%的含磷钼酸的杂多酸和氧化铈的悬浮液混合。加热到160℃下搅拌（500转/分钟）0.5小时，超声25分钟制的膜溶液，用流延法成膜得到所需的质子交换膜；膜的厚度是60μm。
实施例2、
将含磷钨酸的杂多酸和氧化铈（粒径30nm）混合物分散在二甲基乙酰胺溶液中，搅拌30分钟，超声（频率：3000赫兹）30分钟混合均匀。将一定量的聚苯并咪唑（SPBI）溶于二甲基乙酰胺溶液中配制成70%的高分子溶液备用。将聚苯并咪唑（SPBI）的高分子溶液和重量相当于高分子溶液里聚苯并咪唑（SPBI）含量2%的含磷钨酸的杂多酸和氧化铈的悬浮液混合。加热到85℃下搅拌（500转/分钟）1小时，超声30分钟制的膜溶液，用流延法成膜得到所需的质子交换膜；膜的厚度是70μm。
实施例3、
将含硅钨酸的杂多酸和氧化铈（粒径60nm）混合物分散在N-甲基吡咯烷酮溶液中，搅拌30分钟，超声（频率：3000赫兹）30分钟混合均匀。将一定量的聚苯并咪唑（SPBI）溶于二甲基亚砜溶液中配制成60%的高分子溶液备用。将聚苯并咪唑（SPBI）的高分子溶液和重量相当于高分子溶液里聚苯并咪唑（SPBI）含量3%的含硅钨酸的杂多酸和氧化铈的悬浮液混合。加热到140℃下搅拌（500转/分钟）50分钟，超声40分钟制的膜溶液，用流延法成膜得到所需的质子交换膜；膜的厚度是80μm。
实施例4、
将含磷钨酸的杂多酸和氧化铈（粒径20nm）混合物分散在甲烷磺酸溶液中，搅拌30分钟，超声（频率：3000赫兹）30分钟混合均匀。将一定量的聚苯并咪唑（ABPBI）溶于甲烷磺酸溶液中配制成40%的高分子溶液备用。将聚苯并咪唑（ABPBI）的高分子溶液和重量相当于高分子溶液里聚苯并咪唑（SPBI）含量1%的含磷钨酸的杂多酸和氧化铈的悬浮液混合。加热到180℃下搅拌（500转/分钟）35分钟，超声35分钟制的膜溶液，用流延法成膜得到所需的质子交换膜；膜的厚度是50μm。
实施例5、
将含磷钨酸的杂多酸和氧化铈（粒径20nm）混合物分散在二甲基亚砜溶液中，搅拌30分钟，超声（频率：3000赫兹）30分钟混合均匀。将一定量的聚苯并咪唑（SPBI）溶于二甲基亚砜溶液中配制成80%的高分子溶液备用。将聚苯并咪唑（SPBI）的高分子溶液和重量相当于高分子溶液里聚苯并咪唑（SPBI）含量4%的含磷钨酸的杂多酸和氧化铈的悬浮液混合。加热到160℃下搅拌（500转/分钟）55分钟，超声30分钟制的膜溶液，用流延法成膜得到所需的质子交换膜；膜的厚度是55μm。
实施例6、
将含磷钨酸的杂多酸和氧化铈（粒径20nm）混合物分散在三氟乙酸溶液中，搅拌30分钟，超声（频率：3000赫兹）30分钟混合均匀。将一定量的聚苯并咪唑（ABPBI）溶于三氟乙酸溶液中配制成50%的高分子溶液备用。将聚苯并咪唑（ABPBI）的高分子溶液和重量相当于高分子溶液里聚苯并咪唑（SPBI）含量5%的含磷钨酸的杂多酸和氧化铈的悬浮液混合。加热到65℃下搅拌（500转/分钟）1小时，超声30分钟制的膜溶液，用流延法成膜得到所需的质子交换膜；膜的厚度是45μm。

Claims (6)

1.一种无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法是一种能够在200℃及以下的较高温度下使用的无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法；具体包括如下步骤： 
1)先将杂多酸和氧化铈混合物在极性溶液中搅拌、超声混合均匀，配制成溶液或者悬浮液，其中，杂多酸和氧化铈按照质量比为1:2混合； 
2)将聚苯并咪唑溶于极性溶剂中，配成质量浓度为1-80%的高分子溶液备用； 
3)在上述高分子溶液中加入聚苯并咪唑重量1-5%的杂多酸和氧化铈混合物，加热、搅拌、超声，得到质子交换膜溶液； 
4)对于含聚苯并咪唑的质子交换膜溶液，用流延法，涂浆法或者浸胶法得到所需的无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜。 
2.根据权利要求1所述一种无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述聚苯并咪唑为SPBI或ABPBI。 
3.根据权利要求1所述一种无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述极性溶剂为：二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、三氟乙酸、N-甲基吡咯烷酮、和甲烷磺酸的至少一种。 
4.根据权利要求1所述一种无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述杂多酸是指具有质子交换功能的CsxH3-xBM12的化合物，其中0<x<3；B为P、Si或As；M为Mo、W或V。 
5.根据权利要求1所述一种无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述的氧化铈是指一种纳米颗粒，10nm≤粒径尺寸≤100nm。 
6.根据权利要求1所述一种无机材料杂化的聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中加热温度为60-200℃；搅拌20-60分钟；超声20-40分钟。 
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