CN111048812A - 质子交换复合膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种质子交换复合膜，包括面积相同的第一质子交换膜、第二质子交换膜和多孔性薄膜，第一质子交换膜、多孔性薄膜、第二质子交换膜自下而上依次完全重叠叠放热压在一起，多孔性薄膜与第二质子交换膜相接触的一面上涂覆有一层质子交换膜树脂，多孔性薄膜的材质为磺化芳香族树脂。还提供了本发明质子交换复合膜的制备方法。本发明的质子交换复合膜，具有较好的刚性、较好的质子传导率，其制备方法简单可行。
Description
技术领域
本发明涉及一种质子交换复合膜及其制备方法。
背景技术
目前，燃料电池膜电极常用的质子交换膜为全氟磺酸类树脂，比如美国杜邦公司生产的Nafion系列质子交换膜。为了提高燃料电池膜电极的性能，一方面需要不断提高质子交换膜的磺酸基含量(也就是磺化度)，以提高质子交换膜的质子传导率；另一方面需要尽肯能地降低质子交换膜的厚度，以降低质子交换膜的内阻；此外，由于全氟磺酸树脂强度较低，尤其是在超低厚度条件下，因此需要在全氟磺酸类质子交换膜内部加入增强结构如多孔PTFE，以保证质子交换膜的强度，但是PTFE会导致质子交换膜的内阻上升，需控制PTFE用量。
改善全氟磺酸类质子交换膜质子传导率常见方法有如下几种：一是采用短支链全氟磺酸分子，以提高单位体积质子交换膜的磺酸基含量；此外，也可以在质子交换膜中掺杂高磺化度分子以提高质子传导率。但是，由于全氟磺酸分子本身结构的限制，全氟磺酸类质子交换膜的质子传导率可提升的幅度有限。因此，也有方法尝试采用磺化聚芳醚类树脂制作质子交换膜，因为这类树脂可在苯环上引入磺酸基或者富磺酸基的支链，因此可以显著提高质子交换膜的磺化度；同时磺化聚芳醚树脂属于刚性分子结构，可有效提高质子交换膜的强度。但是磺化聚芳醚树脂的抗氧化能力低于全氟磺酸树脂，会导致质子交换膜的寿命下降。
所以，针对质子交换膜现存的问题，需要一种即能提高质子交换膜的强度，又能保持或者提高质子交换膜的质子传导率的方法。
发明内容
本发明旨在提供一种具有较好的刚性、较好的质子传导率的质子交换复合膜，还提供了本发明质子交换复合膜的制备方法。
本发明通过以下方案实现：
一种质子交换复合膜，包括面积相同的第一质子交换膜、第二质子交换膜和多孔性薄膜，所述第一质子交换膜、多孔性薄膜、第二质子交换膜自下而上依次完全重叠叠放热压在一起，所述多孔性薄膜与第二质子交换膜相接触的一面上涂覆有一层质子交换膜树脂，所述多孔性薄膜的材质为磺化芳香族树脂。第一质子交换膜、第二质子交换膜的材质均为目前常用的全氟磺酸类树脂，采用现有常规方法制备得到。
进一步地，质子交换复合膜的总厚度不超过40μm，所述多孔性薄膜的厚度为质子交换复合膜总厚度的10％～90％。
进一步地，所述磺化芳香族树脂为磺化聚芳醚酮、磺化聚苯醚或磺化聚苯并咪唑。
一种如上所述的质子交换复合膜的制备方法，将多孔性薄膜的一面完全重叠叠放在第一质子交换膜上并将两者热压在一起，之后在多孔性薄膜的另一面上涂刷一层质子交换膜树脂溶液，通过加热方式使质子交换树脂溶液完全凝固在多孔性薄膜上，最后将第二质子交换膜完全重叠叠放在多孔性薄膜的另一面上并将两者热压在一起。质子交换膜树脂溶液优选为质量浓度为5～25％的Nafion树脂溶液。
进一步地，所述第一质子交换膜与多孔性薄膜热压在一起的工艺条件为：热压温度控制为60～100℃，热压压力控制为0.6～2MPa，热压时间控制为0.5～5min；所述第二质子交换膜与多孔性薄膜热压在一起的工艺条件为：热压温度控制为100～150℃，热压压力控制为0.8～2MPa，热压时间控制为1～10min。
进一步地，所述加热方式为红外加热或水蒸气加热，加热温度为80～180℃，加热时间以使得质子交换树脂溶液完全凝固为准。红外加热多采用红外灯加热实现。
进一步地，所述多孔性薄膜的制备工艺为：将磺化芳香族树脂溶液通过静电纺丝的方法制得多孔性薄膜。
本发明的质子交换复合膜，在第一质子交换膜、第二质子交换膜之间引入磺化芳香族树脂制成的多孔性薄膜替代PTFE作为增强质子交换膜的结构骨架，而且磺化芳香族树脂为刚性分子链，使得质子交换复合膜具有较好的刚性，使质子交换复合膜不易变形；同时磺化芳香族树脂本身具有良好的质子传导率，使得质子交换复合膜具有较好的质子传导率；将磺化芳香族树脂制成的多孔性薄膜通过叠加的方式置于第一质子交换膜、第二质子交换膜之间，可以避免磺化芳香族树脂直接接触催化剂层，从而避免受到催化剂层中产生的自由基的攻击而发生氧化降解，避免对质子交换复合膜的寿命产生不利影响，提高质子交换复合膜的使用寿命。本发明的质子交换复合膜的制备方法，简单可行。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于实施例之表述。
实施例1
一种质子交换复合膜的制备方法，将磺化聚芳醚酮溶液通过静电纺丝的方法制得尺寸为10cm×10cm、厚度为10μm的多孔性薄膜，采用现有常规方法制备得到10cm×10cm、厚度为10μm的第一质子交换膜和10cm×10cm、厚度为10μm的第二质子交换膜，第一质子交换膜、第二质子交换膜的材质均为常用的全氟磺酸类树脂；将多孔性薄膜的一面完全重叠叠放在第一质子交换膜上并在热压装置中将两者热压在一起，热压温度控制为60℃，热压压力控制为0.8MPa，热压时间控制为1min；之后在多孔性薄膜的另一面上涂刷一层质子交换膜树脂溶液(选用质量浓度为10％的Nafion树脂溶液)，通过红外灯加热(温度控制为150℃)使质子交换树脂溶液完全凝固在多孔性薄膜上，此时多孔性薄膜的另一面即涂覆有一层质子交换膜树脂，最后将第二质子交换膜完全重叠叠放在多孔性薄膜的另一面上并在热压装置中将两者热压在一起，热压温度控制为100℃，热压压力控制为1MPa，热压时间控制为5min。
将按上述方法制得的质子交换复合膜进行检测，其总厚度为30μm。
实施例2
一种质子交换复合膜的制备方法，其步骤与实施例1中的质子交换复合膜的制备方法的步骤基本相同，其不同之处在于：
1、多孔性薄膜的制备工艺为：将磺化聚苯醚溶液通过静电纺丝的方法制得尺寸为10cm×30cm、厚度为8μm的多孔性薄膜；
2、第一质子交换膜的尺寸为10cm×30cm、厚度为5μm，第一质子交换膜与多孔性薄膜热压在一起的工艺条件为：热压温度为80℃，热压压力为0.6MPa,热压时间为2min；
3、质子交换膜树脂溶液选用质量浓度为5％的Nafion树脂溶液，通过100℃水蒸气加热使质子交换树脂溶液完全凝固在多孔性薄膜上；
4、第二质子交换膜的尺寸为10cm×30cm、厚度为5μm，第二质子交换膜与多孔性薄膜热压在一起的工艺条件为：热压温度为120℃，热压压力为0.8MPa,热压时间为3min；
将按上述方法制得的质子交换复合膜进行检测，其总厚度为18μm。
实施例3
一种质子交换复合膜的制备方法，其步骤与实施例1中的质子交换复合膜的制备方法的步骤基本相同，其不同之处在于：
1、多孔性薄膜的制备工艺为：将磺化聚苯并咪唑溶液通过静电纺丝的方法制得尺寸为10cm×20cm、厚度为12μm的多孔性薄膜；
2、第一质子交换膜的尺寸为10cm×20cm、厚度为5μm，第一质子交换膜与多孔性薄膜热压在一起的工艺条件为：热压温度为100℃，热压压力为2MPa,热压时间为3min；
3、质子交换膜树脂溶液选用质量浓度为20％的Nafion树脂溶液，通过120℃水蒸气加热使质子交换树脂溶液完全凝固在多孔性薄膜上；
4、第二质子交换膜的尺寸为10cm×20cm、厚度为5μm，第二质子交换膜与多孔性薄膜热压在一起的工艺条件为：热压温度为150℃，热压压力为2MPa,热压时间为1min；
将按上述方法制得的质子交换复合膜进行检测，其总厚度为22μm。
Claims (7)
1.一种质子交换复合膜，其特征在于：包括面积相同的第一质子交换膜、第二质子交换膜和多孔性薄膜，所述第一质子交换膜、多孔性薄膜、第二质子交换膜自下而上依次完全重叠叠放热压在一起，所述多孔性薄膜与第二质子交换膜相接触的一面上涂覆有一层质子交换膜树脂，所述多孔性薄膜的材质为磺化芳香族树脂。
2.如权利要求1所述的质子交换复合膜，其特征在于：质子交换复合膜的总厚度不超过40μm，所述多孔性薄膜的厚度为质子交换复合膜总厚度的10％～90％。
3.如权利要求1或2所述的质子交换复合膜，其特征在于：所述磺化芳香族树脂为磺化聚芳醚酮、磺化聚苯醚或磺化聚苯并咪唑。
4.一种如权利要求1～3任一所述的质子交换复合膜的制备方法，其特征在于：将多孔性薄膜的一面完全重叠叠放在第一质子交换膜上并将两者热压在一起，之后在多孔性薄膜的另一面上涂刷一层质子交换膜树脂溶液，通过加热方式使质子交换树脂溶液完全凝固在多孔性薄膜上，最后将第二质子交换膜完全重叠叠放在多孔性薄膜的另一面上并将两者热压在一起。
5.如权利要求4所述的质子交换复合膜的制备方法，其特征在于：所述第一质子交换膜与多孔性薄膜热压在一起的工艺条件为：热压温度控制为60～100℃，热压压力控制为0.6～2MPa，热压时间控制为0.5～5min；所述第二质子交换膜与多孔性薄膜热压在一起的工艺条件为：热压温度控制为100～150℃，热压压力控制为0.8～2MPa，热压时间控制为1～10min。
6.如权利要求4或5所述的质子交换复合膜的制备方法，其特征在于：所述加热方式为红外加热或水蒸气加热，加热温度为80～180℃。
7.如权利要求4或5所述的质子交换复合膜的制备方法，其特征在于：所述多孔性薄膜的制备工艺为：将磺化芳香族树脂溶液通过静电纺丝的方法制得多孔性薄膜。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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