[发明专利]一种耐高温型磺化聚酰亚胺质子交换膜及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种耐高温型磺化聚酰亚胺质子交换膜及其制备方法和应用。所述耐高温型磺化聚酰亚胺质子交换膜的制备方法包括以下步骤：(1)制备磺酸化纳米蒙脱石；(2)制备磺化聚酰亚胺改性树脂；(3)溶液流延制膜，得到磺酸化纳米蒙脱石/磺化聚酰亚胺膜；(4)后处理，将磺酸化纳米蒙脱石/磺化聚酰亚胺膜先在无水乙醇中浸泡12‑24h，过滤后再浸泡在硫酸溶液进行质子交换处理，去离子水洗涤至中性，加热干燥后得到耐高温型磺化聚酰亚胺质子交换膜。本发明的耐高温型磺化聚酰亚胺质子交换膜用于燃料电池。本发明的耐高温型磺化聚酰亚胺质子交换膜能在高温下保持良好电导率情况下，可较大幅度改善膜的机械强度、化学稳定性、溶胀率和甲醇隔绝效果。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体地涉及一种耐高温型磺化聚酰亚胺质子交换膜及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池是一种将储存在氢气和氧气内的化学能通过电极化学反应直接转化为电能的发电装置。质子交换膜是燃料电池的核心部件，是决定燃料电池性能、寿命以及成本的关键。理想的质子交换膜需在较高温度(100-200℃)和低相对湿度下依然能保持高质子电导率、干湿变形小、抗气体渗透、高的机械强度以及化学稳定性等性能。

本领域常用的磺化聚酰亚胺(SPI)因具有良好的质子电导率、热稳定性、机械性能和低燃料渗透率等优点，成为一种具有发展前景的质子交换膜材料。SPI质子交换膜较高的质子电导率主要依赖于高的IEC值，可是IEC值越高，膜越容易发生溶胀，从而使膜的机械性能降低。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种耐高温型磺化聚酰亚胺质子交换膜及其制备方法，其能在高温下保持良好电导率情况下，可较大幅度改善膜的机械强度、化学稳定性、溶胀率和甲醇隔绝效果。

为了实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种耐高温型磺化聚酰亚胺质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：(1)制备磺酸化纳米蒙脱石：将纳米蒙脱石粉末分散在25-35wt％的四丁基氢氧化铵溶液中，并在70-85℃下搅拌9-12h后，过滤，去离子水洗涤，得到四丁基氢氧化铵插层蒙脱石；然后，将四丁基氢氧化铵插层蒙脱石分散在20-30wt％的丁二酸二异辛酯磺酸钠溶液中，并在60-70℃下搅拌2-4h后，冷却至室温后不断搅拌情况下加入8-12wt％的硫酸溶液以调节溶液pH为4.5-5.5，搅拌并保持2-3h，过滤，去离子水洗涤至中性，离心脱水，真空干燥，得到磺酸化纳米蒙脱石；其中，纳米蒙脱石粉末：四丁基氢氧化铵溶液：丁二酸二异辛酯磺酸钠溶液的重量比为3:100:(60-100)；所述丁二酸二异辛酯磺酸钠溶液的溶剂为50wt％的乙醇水溶液；(2)制备磺化聚酰亚胺改性树脂：将步骤(1)所述的磺酸化纳米蒙脱石加入35-40wt％的磺化聚酰亚胺溶液中，在85℃下搅拌6h，得到磺酸化纳米蒙脱石/磺化聚酰亚胺铸膜液；所述磺化聚酰亚胺溶液的溶剂为二甲基亚砜；磺酸化纳米蒙脱石与磺化聚酰亚胺溶液的质量比为(0.8-2)：100；(3)溶液流延制膜：将步骤(2)所述的铸膜液在玻璃板上流延成膜，依次经过真空除泡、常压干燥、真空干燥，得到磺酸化纳米蒙脱石/磺化聚酰亚胺膜；(4)后处理：将步骤(3)所述的磺酸化纳米蒙脱石/磺化聚酰亚胺膜先在无水乙醇中浸泡12-24h，过滤后再浸泡在硫酸溶液进行质子交换处理，去离子水洗涤至中性，加热干燥后得到耐高温型磺化聚酰亚胺质子交换膜。

可选的，所述步骤(1)的去离子水洗涤至中性的pH为6.8-7.5。

可选的，所述步骤(4)的常压干燥的温度为40-80℃。

可选的，所述步骤(4)的真空干燥的工艺参数为：真空度0.6-1Mpa，温度40-80℃。

可选的，所述步骤(4)的硫酸溶液浓度为10-15wt％，质子交换时间为12-24h。

可选的，所述步骤(4)的加热干燥为鼓风加热干燥，温度为120-130℃，鼓风的气体为氮气或氩气的一种。