CN106159301B - 一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法 - Google Patents

一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106159301B
CN106159301B CN201610688664.0A CN201610688664A CN106159301B CN 106159301 B CN106159301 B CN 106159301B CN 201610688664 A CN201610688664 A CN 201610688664A CN 106159301 B CN106159301 B CN 106159301B
Authority
CN
China
Prior art keywords
proton exchange
acid proton
perfluorosulfonic acid
exchange film
preparation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610688664.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106159301A (zh
Inventor
何伟东
霍伟荣
陈志林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201610688664.0A priority Critical patent/CN106159301B/zh
Publication of CN106159301A publication Critical patent/CN106159301A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106159301B publication Critical patent/CN106159301B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1069—Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1023—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon, e.g. polyarylenes, polystyrenes or polybutadiene-styrenes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明公开了一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：S1，按(0.025～0.5)g：(10～20)ml：(5～10)ml的比例称取全氟磺酸树脂、溶剂以及N‑甲基吡咯胺酮；S2，在溶剂中加入N‑甲基吡咯胺酮，搅拌至均匀制得混合溶剂；S3，向步骤S2制得的混合溶剂中加入称量的全氟磺酸树脂，继续搅拌至颗粒分散均匀，制得稳定的悬浮液；S4，将两片电极极片插入到步骤S3制得的悬浮液中，经电泳，得到全氟磺酸质子交换膜。本发明提供的全氟磺酸质子交换膜的制备方法制备工艺简单，易于操作，制备时间短、效率高、成本低，适于工业化生产和应用。

Description

一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法
技术领域
本发明属于质子交换膜技术领域，具体涉及一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)作为新一代发电技术，具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。
质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件，对电池性能起着关键作用。它不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用。质子交换膜中，全氟磺酸质子交换膜被广泛地应用。
目前，全氟磺酸质子交换膜的成型工艺主要有：挤出成型、溶液成型和复合成型；挤出成型工艺可分为熔融挤出成型和凝胶挤出成型，熔融挤出成型又分为熔融挤出流延成型和熔融挤出压延成型。所有上述制膜工艺存在的最大问题是工艺周期长、工艺复杂、成膜的成本高。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种生产周期短、工艺简单、膜厚可控的全氟磺酸质子交换膜的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：
S1：按(0.025～0.5)g：(10～20)ml：(5～10)ml的比例称取全氟磺酸树脂、溶剂以及N-甲基吡咯烷酮；
S2：在溶剂中加入N-甲基吡咯烷酮，搅拌至均匀制得混合溶剂；
S3：向步骤S2制得的混合溶剂中加入称量的全氟磺酸树脂，继续搅拌至颗粒分散均匀，制得稳定的悬浮液；
S4：将两片电极极片插入到步骤S3制得的悬浮液中，经电泳，得到全氟磺酸质子交换膜。
上述制备方法中，步骤S1中的溶剂包括乙醇、异丙醇、丙酮中的至少一种，本发明以乙醇为例进行实验说明。
上述制备方法中，步骤S2中，先在溶剂中按比例加入N-甲基吡咯烷酮配制混合溶剂是本技术的一个核心所在，该混合溶液可以使树脂颗粒均匀的悬浮在其中并利于电泳膜的获得。N-甲基吡咯烷酮不仅是稳定的有机溶剂，还在电泳过程中起到分散剂的作用，使树脂颗粒均匀的分散在溶剂中。
上述制备方法中，步骤S2中，搅拌时间并无任何限制，N-甲基吡咯烷酮和乙醇混合均匀即可。步骤S3中，搅拌的目的是为了在常温常压下，使全氟磺酸树脂完全溶解于混合溶剂中，制得稳定的悬浮液，便于在正极极片成膜，搅拌时间可以采用常规。搅拌的最佳时间根据悬浮体系与搅拌量而定，搅拌至颗粒分散均匀，得到稳定的悬浮液即可。本发明中，设置的搅拌时间为2～4h。
上述制备方法中，步骤S4中电极极片为电泳操作中常用的电极极片，极片材料可以选用但不限于导电玻璃、铜片、铝片、Si/SiO2/Ti/Pt、石墨片中的一种。可通过改变正极极片的形状控制制备的全氟磺酸质子交换膜的形状。从成膜效果考虑，在本发明中，优选采用石墨片作为负极极片、导电玻璃作为正极极片。此外，在本发明的实施例中，还对金属电极片进行乙醇超声清洗3～5min，去离子水超声清洗1min左右，以便于更好成膜。
上述制备方法中，步骤S4电泳操作中的施加条件、维持时间以及电极间距可以采用常规，其目的是在正极极片上生成全氟磺酸质子交换膜；施加的电压可以直流电压也可以是脉冲电压。施加电压的大小和施加方式主要影响膜的厚度、成膜速度以及膜的致密性。根据发明人研究，从成膜的效果角度考虑，施加电压优选为20-70V，电泳时间可以根据施加电压和最终设定的全氟磺酸质子交换膜的厚度来确定。本发明中，设定的电极间距为3～10mm，电泳时间为300～600s。在电泳操作完成后，将正极极片取下，自然风干或烘干得到全氟磺酸质子交换膜。进一步的，本发明中，设定的烘干温度为80℃，烘干时间为3～5min，从烘箱中取出正极极片放入去离子水中静置1～3min后取出，用镊子将薄膜从电极片上揭下来即可。
值得说明的是，本发明所采用的全氟磺酸树脂、乙醇以及粘合剂，均没有任何特殊的要求，可通过市场购买获得。
本发明提供的全氟磺酸质子交换膜的制备方法具有以下有益效果是：
1、首先通过本发明提供的方法能够获得适用于电泳操作的悬浮液，基于该悬浮液，可以通过电泳方法获得全氟磺酸质子交换膜，这是首次通过电泳方法获得全氟磺酸质子交换膜；
2、制备工艺简单，易于操作，制备时间短、效率高、成本低，适于工业化生产和应用；
3、制备得到的全氟磺酸质子交换膜，经阻抗测试，电导率为(1～5)×10-2S/cm，满足质子交换膜燃料电池的使用要求；
4、本发明提供的方法，一次成膜，全氟磺酸质子交换膜的厚度、面积均可控，薄膜成分与树脂颗粒成分几乎完全一致。
附图说明
图1是本发明全氟磺酸质子交换膜与全氟磺酸树脂颗粒的红外光谱图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的目的和意义，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
实施例1
S1：称取全氟磺酸树脂0.15g，乙醇14ml，N-甲基吡咯烷酮7ml的比例；
S2：在乙醇中加入N-甲基吡咯烷酮，搅拌0.1h至均匀制得混合溶剂；
S3：向步骤S2制得的混合溶剂中加入称量的全氟磺酸树脂，搅拌时间3h，至颗粒分散均匀，制得稳定的悬浮液；
S4：以石墨片为负极极片，以导电玻璃为正极极片，将两片电极极片插入到步骤S3制得的悬浮液中，施加50V直流电压，电极间距5mm，电泳300s，得到全氟磺酸质子交换膜。
进一步的，本实施例中所述步骤S4，在同样的工艺条件和参数下，正极极片还使用分别采用了铜片、铝片、白金片进行电泳。
实施例2
S1：称取全氟磺酸树脂0.05g，乙醇20ml，N-甲基吡咯烷酮5ml的比例；
S2：在乙醇中加入N-甲基吡咯烷酮，搅拌0.1h至均匀制得混合溶剂；
S3：向步骤S2制得的混合溶剂中加入称量的全氟磺酸树脂，搅拌时间2.5h，至颗粒分散均匀，制得稳定的悬浮液；
S4：以石墨片为负极极片，以导电玻璃为正极极片，将两片电极极片插入到步骤S3制得的悬浮液中，施加50V直流电压，电极间距5mm，电泳300s，得到全氟磺酸质子交换膜。
实施例3
S1：称取全氟磺酸树脂0.05g，乙醇10ml，N-甲基吡咯烷酮5ml的比例；
S2：在乙醇中加入N-甲基吡咯烷酮，搅拌0.1h至均匀制得混合溶剂；
S3：向步骤S2制得的混合溶剂中加入称量的全氟磺酸树脂，搅拌时间2h，至颗粒分散均匀，制得稳定的悬浮液；
S4：以石墨片为负极极片，以导电玻璃为正极极片，将两片电极极片插入到步骤S3制得的悬浮液中，施加50V直流电压，电极间距5mm，电泳300s，得到全氟磺酸质子交换膜。
实施例4
S1：称取全氟磺酸树脂0.5g，乙醇10ml，N-甲基吡咯烷酮10ml的比例；
S2：在乙醇中加入N-甲基吡咯烷酮，搅拌0.1h至均匀制得混合溶剂；
S3：向步骤S2制得的混合溶剂中加入称量的全氟磺酸树脂，搅拌时间2h，至颗粒分散均匀，制得稳定的悬浮液；
S4：以石墨片为负极极片，以导电玻璃为正极极片，将两片电极极片插入到步骤S3制得的悬浮液中，施加50V直流电压，电极间距5mm，电泳300s，得到全氟磺酸质子交换膜。
实施例5
S1：称取全氟磺酸树脂0.5g，乙醇20ml，N-甲基吡咯烷酮5ml的比例；
S2：在乙醇中加入N-甲基吡咯烷酮，搅拌0.1h至均匀制得混合溶剂；
S3：向步骤S2制得的混合溶剂中加入称量的全氟磺酸树脂，搅拌时间4h，至颗粒分散均匀，制得稳定的悬浮液；
S4：以石墨片为负极极片，以导电玻璃为正极极片，将两片电极极片插入到步骤S3制得的悬浮液中，施加50V直流电压，电极间距5mm，电泳300s，得到全氟磺酸质子交换膜。
对实施例1制备的全氟磺酸质子交换膜进行阻抗测试，测试结果如表1所示：
表1：全氟磺酸质子交换膜阻抗测试
正极材料 膜厚/mm 外貌 电导率
铝 0.233 较粗糙 1.8×10-2S/cm
铜 0.077 较光滑 1.5×10-2S/cm
白金 0.061 较光滑 2.5×10-2S/cm
导电玻璃 0.014 最光滑 2.1×10-2S/cm
由表1可看出，本发明制备的全氟磺酸质子交换膜，电导率为(1～5)×10-2S/cm，满足质子交换膜燃料电池的使用要求。
以实施例1制备的全氟磺酸质子交换膜与全氟磺酸树脂颗粒进行红外测试，可看出薄膜的成分与颗粒成分几乎完全一致。
对实施例2～5制备的全氟磺酸质子交换膜进行阻抗测试，测试结果如表2所示：
表2：全氟磺酸质子交换膜阻抗测试
实施例 膜厚/mm 外貌 电导率
2 0.058 光滑 1.5×10<sup>-2</sup>S/cm
3 0.069 光滑 1.3×10<sup>-2</sup>S/cm
4 0.491 光滑 1.0×10<sup>-2</sup>S/cm
5 0.323 光滑 1.1×10<sup>-2</sup>S/cm
由表2可看出，本发明中由相同电极不同配方制备的全氟磺酸质子交换膜，电导率为(1～5)×10-2S/cm，均可满足质子交换膜燃料电池的使用要求。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：按（0.025~0.5）g：（10~20）ml：（5~10）ml的比例称取全氟磺酸树脂、溶剂以及N-甲基吡咯烷酮；
S2：在溶剂中加入N-甲基吡咯烷酮，搅拌至均匀制得混合溶剂；
S3：向步骤S2制得的混合溶剂中加入称量的全氟磺酸树脂，继续搅拌至颗粒分散均匀，制得稳定的悬浮液；
S4：将两片电极极片插入到步骤S3制得的悬浮液中，经电泳，得到全氟磺酸质子交换膜；
所述溶剂包括乙醇、异丙醇、丙酮中的至少一种；
所述步骤S4中，电泳条件为：施加电压20-70V，电泳至设定全氟磺酸质子交换膜厚度；电泳完成后，将正极极片取下，自然风干或烘干得到全氟磺酸质子交换膜。
2.根据权利要求1所述的全氟磺酸质子交换膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，搅拌时间为2~4h。
3.根据权利要求1所述的全氟磺酸质子交换膜的制备方法，其特征在于：所述电极极片材料为导电玻璃、铜片、铝片、Si/SiO2/Ti/Pt、石墨片中的一种。
4.根据权利要求1所述的全氟磺酸质子交换膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，电极间距3~10mm，电泳时间为300~600s。
CN201610688664.0A 2016-08-19 2016-08-19 一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法 Active CN106159301B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610688664.0A CN106159301B (zh) 2016-08-19 2016-08-19 一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610688664.0A CN106159301B (zh) 2016-08-19 2016-08-19 一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106159301A CN106159301A (zh) 2016-11-23
CN106159301B true CN106159301B (zh) 2019-07-02

Family

ID=57330639

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610688664.0A Active CN106159301B (zh) 2016-08-19 2016-08-19 一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106159301B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107768700B (zh) * 2017-10-16 2020-09-01 电子科技大学 一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法
CN114654755B (zh) * 2022-04-22 2024-05-10 天宫氢能材料科技(东莞)有限公司 一种全氟磺酸质子膜的生产设备及生产方法
CN115566238B (zh) * 2022-10-20 2023-08-22 重庆星际氢源科技有限公司 一种具有高抗硬水能力的复合质子交换膜及其制备方法和应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101038970A (zh) * 2007-03-29 2007-09-19 武汉理工大学 一种高温质子交换膜燃料电池用保水扩散层的制备方法
CN101050285A (zh) * 2007-04-27 2007-10-10 新源动力股份有限公司 一种新型复合质子交换膜成型工艺
CN101887975A (zh) * 2010-04-09 2010-11-17 新源动力股份有限公司 一种燃料电池用膜-膜电极的集成化制备方法
CN102311559A (zh) * 2011-09-05 2012-01-11 深圳市星源材质科技股份有限公司 复合隔离膜及其形成方法
CN103044698A (zh) * 2012-12-18 2013-04-17 中国科学院金属研究所 一种全氟磺酸离子交换膜的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101038970A (zh) * 2007-03-29 2007-09-19 武汉理工大学 一种高温质子交换膜燃料电池用保水扩散层的制备方法
CN101050285A (zh) * 2007-04-27 2007-10-10 新源动力股份有限公司 一种新型复合质子交换膜成型工艺
CN101887975A (zh) * 2010-04-09 2010-11-17 新源动力股份有限公司 一种燃料电池用膜-膜电极的集成化制备方法
CN102311559A (zh) * 2011-09-05 2012-01-11 深圳市星源材质科技股份有限公司 复合隔离膜及其形成方法
CN103044698A (zh) * 2012-12-18 2013-04-17 中国科学院金属研究所 一种全氟磺酸离子交换膜的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN106159301A (zh) 2016-11-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Siracusano et al. Degradation issues of PEM electrolysis MEAs
CN106159301B (zh) 一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法
Su et al. Study of catalyst sprayed membrane under irradiation method to prepare high performance membrane electrode assemblies for solid polymer electrolyte water electrolysis
CN100495788C (zh) 一种自呼吸式燃料电池膜电极及其制备方法
CN109671985A (zh) 一种一体化结构在固态锂离子电池中的应用
CN108963282A (zh) 一种溶剂热法还原的燃料电池碳载铂基催化剂及其制备方法与应用
CN104852057B (zh) 一种燃料电池膜电极的制备方法及其专用装置
CN109088073A (zh) 质子交换膜燃料电池ccm膜电极及其制备方法
Chien et al. Characteristics of high-water-uptake activated carbon/Nafion hybrid membranes for proton exchange membrane fuel cells
CN106229514B (zh) 石墨烯改性导电聚合物凝胶包覆金属纳米颗粒的制备方法与应用
CN109950581B (zh) 一种磷酸掺杂聚苯并咪唑高温膜燃料电池膜电极快速活化方法
Dedigama et al. An experimentally validated steady state polymer electrolyte membrane water electrolyser model
CN107146891B (zh) 一种贵金属催化剂颗粒呈梯度分布的mea制备方法
CN101475699A (zh) 一种质子传导膜的制备方法
CN103107344B (zh) 催化剂浆料及制备催化剂浆料与膜电极组件的方法
CN109192993B (zh) 一种可用于全钒液流电池双极板的导电氧化石墨烯板制备方法
US20160056476A1 (en) Production method of catalyst ink for fuel cell, manufacturing method of catalyst layer for fuel cell and manufacturing method of membrane electrode assembly for fuel cell
CN114622245A (zh) 一种用于水电解制氢的催化剂浆料及其制备方法
CN104600330A (zh) 氢燃料电池膜电极的制备方法
CN101252192A (zh) 直接醇燃料电池用管状阴极的制备方法
CN102593471A (zh) 质子交换膜燃料电池电极和质子交换膜燃料电池的制备方法
CN107768700B (zh) 一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法
CN105019002B (zh) 一种Bi2O3光催化薄膜的制备方法
Do et al. A mixture design approach to optimizing the cathodic compositions of proton exchange membrane fuel cell
CN201956423U (zh) 一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂加热真空吸盘

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant