CN111048815A - 一种改性燃料电池质子交换膜及其制备方法 - Google Patents

一种改性燃料电池质子交换膜及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111048815A
CN111048815A CN201911345313.XA CN201911345313A CN111048815A CN 111048815 A CN111048815 A CN 111048815A CN 201911345313 A CN201911345313 A CN 201911345313A CN 111048815 A CN111048815 A CN 111048815A
Authority
CN
China
Prior art keywords
proton exchange
fuel cell
polybenzimidazole
membrane
exchange membrane
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.)
Pending
Application number
CN201911345313.XA
Other languages
English (en)
Inventor
李晓锦
刘增
刘文奇
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.)
Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS
Original Assignee
Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS
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 Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS filed Critical Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS
Priority to CN201911345313.XA priority Critical patent/CN111048815A/zh
Publication of CN111048815A publication Critical patent/CN111048815A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

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
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • 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

Landscapes

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

Abstract

本申请涉及化工领域，尤其涉及一种聚醚砜/聚苯并咪唑共混改性燃料电池质子交换膜及其制备方法。采用溶液共混的方式获得经有机溶剂溶解聚醚砜和聚苯并咪唑混合物的改性混合物，经刮涂所形成的膜。本发明所得膜经浸渍磷酸后，高温下仍具有较好的质子电导率，力学性能和优异的耐疲劳性能。本发明所制备的膜温度160℃，无增湿的条件下，质子电导率为8.4mS/cm。常温下拉伸强度为16.9MPa。此外，复合膜在较大的温差以及密封压力和气体压力作用下可保持较好性能，并可延长膜电极使用寿命。

Description

一种改性燃料电池质子交换膜及其制备方法
技术领域
本申请涉及化工领域，尤其涉及一种聚醚砜/聚苯并咪唑共混改性燃料电池质子交换膜及其制备方法。
背景技术
燃料电池因其环保高效等特点已经成为人们重点研究的一种新能源，其中质子交换膜燃料电池因其无噪声、零污染、无腐蚀、寿命长、工作电流大、比功率高、冷启动快等优点正成为世界各国的研究热点之一。因为高温燃料电池具有抑制CO，SO2等杂质气体对催化剂Pt的毒化，优化电池内的传质，优化系统热管理，提高能量利用率和改善电极的反应动力学过程等优点，更是吸引了很多关注。
高稳定性的耐高温树脂的合成研究是发展高温质子交换膜燃料电池的关键，使用耐高温树脂制备薄膜，掺杂之后获得质子导电性。作为质子交换膜支撑的树脂的稳定性制约着电池的寿命，因此，高稳定性的耐高温树脂的合成研究，是制备高温质子交换膜的基础。目前，聚苯并咪唑被广泛应用于燃料电池的膜电极中。
但是，申请人发现，在燃料电池的苛刻工作环境下，这类树脂形成的质子交换膜会由于稳定性变差而影响电池寿命，其原因在于：在组装、使用过程中的组装压力、气压变化、温度变化对质子交换膜的物理损伤下，尤其是对于磷酸燃料电池来讲，浸渍在磷酸中的膜电极稳定性变差，进而影响电池的寿命。
发明内容
本发明目的在于提供一种聚醚砜/聚苯并咪唑共混改性燃料电池质子交换膜及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种改性燃料电池质子交换膜，采用溶液共混的方式获得经有机溶剂溶解聚醚砜和聚苯并咪唑混合物的改性混合物，经刮涂所形成的膜。
所述聚醚砜与聚苯并咪唑按1:1-1：4的质量比例混合；所述聚醚砜与聚苯并咪唑混合物占有机溶剂质量的10-15wt％。
一种改性燃料电池质子交换膜的制备方法，将聚醚砜与聚苯并咪唑按上述比例混匀，混匀后将其自刮涂、干燥即得改性燃料电池质子交换膜。
所述混匀后真空消泡处理，处理后以刮涂的方式并干燥处理形成复合膜，刮涂成膜的温度为20-60℃，干燥时间是10-36小时；
而后置于80-100℃去离子水中处理1-3小时，再置于100-160℃真空环境中烘干，即得改性燃料电池质子交换膜。
所述将烘干的所述复合膜置于磷酸中常温浸渍过夜，形成所述磷酸掺杂的聚醚砜/聚苯并咪唑复合质子交换膜。
所述有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮。
本发明所具有的优点：
本发明燃料电池质子交换膜，聚醚砜/聚苯并咪唑共混改性燃料电池质子交换膜通过树脂溶液共混法，利用聚醚砜在高温下具有优良的抗蠕变性和尺寸稳定性，与聚苯并咪唑共混得到的复合膜具有比单纯聚苯并咪唑膜更高的机械强度和稳定性。
本发明所制备的膜温度160℃，无增湿的条件下，质子电导率为8.4mS/cm。常温下拉伸强度为16.9MPa。此外，复合膜在较大的温差以及密封压力和气体压力作用下可保持较好性能，并可延长膜电极使用寿命。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1提供的制备燃料电池复合膜的方法的原理示意图；
图2是本发明实施例1所得聚醚砜/聚苯并咪唑复合膜光学图片；
图3是本发明实施例2所得磷酸浸渍聚醚砜/聚苯并咪唑复合膜阻抗谱图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述本发明的示例性实施例。然而，示例性实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为本发明仅限于在此阐述的实施例。相反，提供这些示例性实施例能够使得本发明更加全面和完整，更加便于将发明构思全面地传达给本领域的技术人员。
在符合本发明的技术构思的前提下，在某个特定的实施例中描述的特征、结构、特性或其他细节不排除可以以合适的方式结合在一个或更多其他的实施例中。
在对于具体实施例的描述中，本发明描述的特征、结构、特性或其他细节是为了使本领域的技术人员对实施例进行充分理解。但是，并不排除本领域技术人员可以实践本发明的技术方案而没有特定特征、结构、特性或其他细节的一个或更多。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/ 步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
术语“和/或”或者“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个或多者的所有组合。
本发明各种实施例通过聚醚砜与聚苯并咪唑按1：1-1：4比例加入到有机溶剂中，得到聚醚砜/聚苯并咪唑混合剂，利用所述聚醚砜/聚苯并咪唑混合剂制备燃料电池的质子交换复合膜，由于利用聚醚砜/聚苯并咪唑形成的复合膜耐磷酸浸渍，对组装压力、气压变化、温度变化的耐受性更好，因而提高了质子交换膜的稳定性，延长了电池寿命。
实施例1:
如图1所示制备燃料电池复合膜的方法的原理示意图：
S101:采用溶液共混的方法将聚醚砜与聚苯并咪唑按1：4的质量比例加入到有机溶剂中，得到聚醚砜/聚苯并咪唑的混合剂。
S102:利用所述聚醚砜/聚苯并咪唑混合剂制备燃料电池的质子交换复合膜。
在具体实施时，采用溶液共混的方法将聚醚砜与聚苯并咪唑按1：4比例加入到有机溶剂中，可以包括:
将1g聚醚砜与4g聚苯并咪唑加入到45g N,N-二甲基乙酰胺中
在具体实施时，所述利用所述聚醚砜/聚苯并咪唑混合剂制备燃料电池的质子交换复合膜，可以包括：
将所述聚醚砜/聚苯并咪唑混合剂搅拌后真空消泡处理；
制作好的聚合物溶液用刮涂的方法使聚合物成膜，通过调节刮刀的刻度使膜的厚度控制在20μm左右；
刮涂完成之后于40℃温度下保持24小时；
将所述复合膜置于100℃去离子水中处理2小时，将处理后的复合膜置于 120℃真空环境中烘干(参见图2)；
将烘干的所述复合膜置于85％磷酸中常温浸渍24小时，形成所述磷酸掺杂的聚醚砜/聚苯并咪唑复合质子交换膜。
利用聚醚砜/聚苯并咪唑形成的复合膜耐磷酸浸渍，对组装压力、气压变化、温度变化的耐受性更好，提高了质子交换膜的稳定性，延长了电池寿命。
由图2可见所制备复合膜颜色均匀，厚度一致。
实施例2
与实施例1不同之处
将2.5g聚醚砜与2.5g聚苯并咪唑加入45g N,N-二甲基乙酰胺中，得到聚醚砜/聚苯并咪唑的混合剂。其余同实施例1。
实施例3
将2g聚醚砜与8g聚苯并咪唑加入45g N,N-二甲基乙酰胺中，得到聚醚砜 /聚苯并咪唑的混合剂。其余同实施例1。
实施例4
刮涂完成之后于30℃温度下保持12小时，其余同实施例1。
实施例5
将所述复合膜置于80℃去离子水中处理3小时，将处理后的复合膜置于 160℃真空环境中烘干。其余同实施例1。
实施例6
将1g聚醚砜与4g聚苯并咪唑加入到45gN-甲基吡咯烷酮，其余同实施例 1。
应用例:
为了验证上述实施例中复合膜的效果，进行测试：
(1)将实施例1中处理好的膜置于85％磷酸中，在常温下浸渍12小时后得到磷酸浸渍聚醚砜/聚苯并咪唑复合膜，测得此时磷酸浸渍量为300％，浸渍磷酸后形变量为13％。比较于传统的聚苯并咪唑膜相同条件浸渍磷酸，浸渍量为300％，形变量为20％，因此复合膜的稳定性较好。
(2)将实施例1中得到的磷酸浸渍聚醚砜/聚苯并咪唑复合膜采用国标方法，在拉力机上测试，得到磷酸浸渍聚醚砜/聚苯并咪唑复合膜常温下拉伸强度为16.9MPa，相较于同样浸渍量的聚苯并咪唑咪唑膜拉伸强度为10MPa有所提高。
(3)将实施例1中得到的磷酸浸渍聚醚砜/聚苯并咪唑复合膜用 EnergyLab XM电化学工作站，在160℃下测试，由图3可得膜的质子电导率为 8.4mS/cm(参见图3)。
通过复合的方式制备质子交换膜，较纯聚苯并咪唑膜，具有更小的溶胀率，更高的机械强度和尺寸稳定性，耐磷酸浸渍，对组装压力、气压变化、温度变化的耐受性更好，有利于延长电池寿命。此方法得到的复合膜操作简便，对设备要求低，适用于大规模生产。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种改性燃料电池质子交换膜，其特征在于：采用溶液共混的方式获得经有机溶剂溶解聚醚砜和聚苯并咪唑混合物的改性混合物，经刮涂所形成的膜。
2.按权利要求1所述的改性燃料电池质子交换膜，其特征在于：所述聚醚砜与聚苯并咪唑按1:1-1：4的质量比例混合；所述聚醚砜与聚苯并咪唑混合物占有机溶剂质量的10-15wt％。
3.一种权利要求1所述的改性燃料电池质子交换膜的制备方法，其特征在于：将聚醚砜与聚苯并咪唑按上述比例混匀，混匀后将其自刮涂、干燥即得改性燃料电池质子交换膜。
4.按权利要求3所述的改性燃料电池质子交换膜的制备方法，其特征在于：所述混匀后真空消泡处理，处理后以刮涂的方式并干燥处理形成复合膜，刮涂成膜的温度为20-60℃，干燥时间是10-36小时；
而后置于80-100℃去离子水中处理1-3小时，再置于100-160℃真空环境中烘干，即得改性燃料电池质子交换膜。
5.按权利要求3所述的改性燃料电池质子交换膜的制备方法，其特征在于：所述将烘干的所述复合膜置于磷酸中常温浸渍过夜，形成所述磷酸掺杂的聚醚砜/聚苯并咪唑复合质子交换膜。
6.按权利要求3所述的改性燃料电池质子交换膜的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮。
CN201911345313.XA 2019-12-24 2019-12-24 一种改性燃料电池质子交换膜及其制备方法 Pending CN111048815A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911345313.XA CN111048815A (zh) 2019-12-24 2019-12-24 一种改性燃料电池质子交换膜及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911345313.XA CN111048815A (zh) 2019-12-24 2019-12-24 一种改性燃料电池质子交换膜及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111048815A true CN111048815A (zh) 2020-04-21

Family

ID=70238786

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911345313.XA Pending CN111048815A (zh) 2019-12-24 2019-12-24 一种改性燃料电池质子交换膜及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111048815A (zh)

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040028976A1 (en) * 2002-08-07 2004-02-12 Israel Cabasso Modified polybenzimidazole (PBI) membranes for enhanced polymer electrochemical cells
CN1543481A (zh) * 2001-08-16 2004-11-03 �����ɷ� 从交联聚合物掺混物制备膜及相应燃料电池的方法
US20100068594A1 (en) * 2008-09-17 2010-03-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Polymer electrolyte membrane, method of preparing the same, and fuel cell including the polymer electrolyte membrane
CN101875722A (zh) * 2009-11-27 2010-11-03 清华大学 制备聚苯并咪唑/磺化聚合物复合质子交换膜材料的方法
CN102299283A (zh) * 2010-06-23 2011-12-28 中国科学院大连化学物理研究所 一种耐高温碱性阴离子交换膜及其制备和应用
CN103408796A (zh) * 2013-07-23 2013-11-27 常州大学 一种用于甲醇燃料电池聚合物复合膜的制备方法
CN103881127A (zh) * 2012-12-19 2014-06-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种多孔聚苯并咪唑/磷酸复合膜的制备方法
CN106450395A (zh) * 2016-12-07 2017-02-22 黄河科技学院 具有高电导率稳定性的聚苯并咪唑‑高导电石墨烯层层复合高温质子交换膜及制备方法
CN108159890A (zh) * 2017-12-31 2018-06-15 浙江工业大学 一种具有耐碱性的阴离子交换膜的制备及其应用
CN109513355A (zh) * 2018-08-27 2019-03-26 浙江工业大学 一种利用bmp进行内部交联的阴离子交换膜的制备和应用
CN110224166A (zh) * 2019-06-12 2019-09-10 吉林大学 一种磷酸掺杂交联型聚苯并咪唑高温质子交换膜及其制备方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1543481A (zh) * 2001-08-16 2004-11-03 �����ɷ� 从交联聚合物掺混物制备膜及相应燃料电池的方法
US20050074654A1 (en) * 2001-08-16 2005-04-07 Joachim Kiefer Method for producing a membrane from a crosslink polymer blend, and corresponding fuel cell
US20040028976A1 (en) * 2002-08-07 2004-02-12 Israel Cabasso Modified polybenzimidazole (PBI) membranes for enhanced polymer electrochemical cells
US20100068594A1 (en) * 2008-09-17 2010-03-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Polymer electrolyte membrane, method of preparing the same, and fuel cell including the polymer electrolyte membrane
CN101875722A (zh) * 2009-11-27 2010-11-03 清华大学 制备聚苯并咪唑/磺化聚合物复合质子交换膜材料的方法
CN102299283A (zh) * 2010-06-23 2011-12-28 中国科学院大连化学物理研究所 一种耐高温碱性阴离子交换膜及其制备和应用
CN103881127A (zh) * 2012-12-19 2014-06-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种多孔聚苯并咪唑/磷酸复合膜的制备方法
CN103408796A (zh) * 2013-07-23 2013-11-27 常州大学 一种用于甲醇燃料电池聚合物复合膜的制备方法
CN106450395A (zh) * 2016-12-07 2017-02-22 黄河科技学院 具有高电导率稳定性的聚苯并咪唑‑高导电石墨烯层层复合高温质子交换膜及制备方法
CN108159890A (zh) * 2017-12-31 2018-06-15 浙江工业大学 一种具有耐碱性的阴离子交换膜的制备及其应用
CN109513355A (zh) * 2018-08-27 2019-03-26 浙江工业大学 一种利用bmp进行内部交联的阴离子交换膜的制备和应用
CN110224166A (zh) * 2019-06-12 2019-09-10 吉林大学 一种磷酸掺杂交联型聚苯并咪唑高温质子交换膜及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王迎姿 等: "磺化聚苯并咪唑/磺化聚醚砜酸碱复合质子交换膜的制备与表征", 《化工进展》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113851683B (zh) 一种咔唑类聚芳烃哌啶阴离子交换膜的制备方法
CN101383404A (zh) 一种氟/烃复合离子交换膜及其制备方法
CN106750441A (zh) 一种交联型聚三氮唑离子液体/聚苯并咪唑高温质子交换膜及其制备方法
CN101510615B (zh) 一种基于可交联聚酰亚胺的半互穿网络型复合质子交换膜及其制备方法
CN108666603B (zh) 一种有机膦酸高温质子交换膜及其制备方法
CN117107297B (zh) 增强气体阻隔性的碱性电解水制氢用复合隔膜及制备方法
Wang et al. Synthesis and properties of chitosan membranes modified by reactive cationic dyes as a novel alkaline exchange membrane for low temperature fuel cells
Du et al. Semi-interpenetrating network anion exchange membranes based on quaternized polyvinyl alcohol/poly (diallyldimethylammonium chloride)
CN110993998A (zh) 一种含萘环聚苯并咪唑型质子交换膜及其制备方法和应用
Li et al. Novel PA-doped polybenzimidazole membranes with high doping level, high proton conductivity and high stability for HT-PEMFCs
Yu et al. Polymeric ionic liquids and MXene synergistically improve proton conductivity and mechanical properties of polybenzimidazole-based high-temperature proton exchange membranes
CN114058053A (zh) 一种共轭有机框架/全氟磺酸树脂复合质子交换膜的制备方法及其应用
WO2003090304A1 (en) Composite polymer electrolyte membrane for polymer electrolyte membrane fuel cells
Chen et al. Polybenzimidazole and polyvinylpyrrolidone blend membranes for vanadium flow battery
Yang et al. Construction of Quaternized Polysulfone/Polyquaternium‐10 Anion Exchange Membrane with Semi‐Interpenetrating Network for Alkaline Fuel Cell
Zhang et al. Partially fluorinated poly (arylene–alkane) s containing cobaltocenium for alkaline-stable anion exchange membranes
CN102473933A (zh) 离子传导性复合电解质膜及使用其的燃料电池
KR20100055185A (ko) 실란계 화합물을 포함하는 탄화수소계 고분자막, 이의 제조방법, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지
Cao et al. Biomass-based anion exchange membranes using poly (ionic liquid) filled bacterial cellulose with superior ionic conductivity and significantly improved strength
CN116344877A (zh) 一种超薄复合质子交换膜及其制备方法和应用
CN111048815A (zh) 一种改性燃料电池质子交换膜及其制备方法
CN103887525A (zh) 一种高温燃料电池用阴极催化层及其制备和膜电极
Chu et al. Achieving better balance on the mechanical stability and conduction performance of sulfonated poly (ether ether ketone) proton exchange membranes through polydopamine/polyethyleneimine co-modified poly (vinylidene fluoride) nanofiber as support
CN1317783C (zh) 一种含氢硅油接枝烯基磺酸质子交换膜及其制备方法
CN106328958A (zh) 一种碱性阴离子交换膜燃料电池膜电极的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200421