[发明专利]一种涤纶质子交换膜的制备方法

说明书

本发明属于能源材料技术领域，具体为一种涤纶质子交换膜的制备方法。本发明提出的方法是在涤纶无纺布表面涂布聚乙烯醇、石墨粉、聚醚醚酮、糠胺、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯多元复合物，再在高温高压下硫化，制备得到涤纶质子交换膜。将质子交换膜组装至直接甲醇燃料电池，测得最高能量密度在75℃和1.2M甲醇浓度时可达1021 mW/cm²。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，具体为一种涤纶质子交换膜的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有工作温度低、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。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响电池的使用寿命。

王禛等以磺化聚醚醚酮（SPEEK）为原料, 采用静电纺丝技术制备了 SPEEK/Nafion 复合膜（SP/NF），并采用热喷涂法在SP/NF 膜上喷涂 Nafion溶液制备了 SPEEK/Nafion/Nafion复合膜（SP/NF/NF）。通过扫描电镜测试及红外光谱测试等方法对膜的物理结构进行了表征。同时测试了膜的吸水率、离子交换容量及质子传导率。并将复合膜组装成单电池测试了电池性能。结果表明， SP/NF/NF复合膜的质子传导率及单电池测试的最高功率密度均高于Nafion 212膜， 且复合膜的成本低于Nafion膜，显示了其作为质子交换膜应用于燃料电池系统的潜能（电源技术，2018年第1期50-54）.

胡科峰等采用不同厚度(15和25mm)的质子交换膜制备了两种膜电极，并研究了加湿条件对其性能的影响。测试条件为:电池温度65℃,背压H₂/Air:100kPa/100kPa，气体流量H₂/Air:1.5/2.5。结果表明：在阳极加湿度为80%、阴极加湿度为100%时，15mm质子交换膜制备的膜电极性能远高于25mm质子交换膜制备的膜电极。但对于15mm质子交换膜制备的膜电极，降低阴阳极的加湿度可以进一步提高其性能,在高电流密度下，阳极20%加湿和阴极低加湿(30%)的情况下，电池性能最好。且水管理对电池性能的影响，主要取决于阴极的加湿情况（电源技术，2018年第3期391-392,433）。

肖磊等以不同配比4,4’-二氟二苯砜、4,4’-联苯二酚和4,4’-二羟基二苯砜为单体，经共聚合得到具有不同高分子量的聚芳醚砜。由于聚合物上联苯和苯砜片段的电子效应差异较大，使磺化反应容易发生在电子云密度较高的联苯片段上。因此采用简单温和的后磺化法，使磺化聚芳醚砜中的磺酸基团精确接入到主链联苯片段中的醚键邻位上，并且磺化度可预测。研究结果表明，制备的磺化聚芳醚砜（M-SPAES）中的磺酸基团被精确接入到主链上联苯片段中的醚键邻位，其相对黏度均在1.2 d L/g以上。质子交换膜（PEM）的离子交换容量（IEC）测定值与理论值完全一致。膜的吸水率与尺寸变化率随IEC和温度的提高而显著增加，并且膜平面方向的尺寸变化率小于膜厚方向。热重分析显示，所制备的磺化聚芳醚砜在280℃以上开始降解。在20℃，20%相对温度（RH）下，膜的最大拉伸强度均大于50MPa，断裂伸长率在15%以上。PEM在Fenton’s试剂中的破碎时间随IEC的增加而缩短，在20℃时，IEC较小的PEM的破碎时间可达到200 h以上。PEM的质子传导率（σ）随温度和IEC的增加而显著提高。在H₂/O₂燃料电池性能测试中，电池温度为60℃，加湿度为80%RH，背压为0.1MPa时，开路电压（OCV）为1.0 V以上，最大功率可达0.54 W/cm²（高等学校化学学报，2018年第6期1281-1289）。