[发明专利]磺酸型聚合物质子交换膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜技术领域，更具体地说，涉及一种磺酸型聚合物质子交换膜的制备方法。

背景技术

质子交换膜是质子交换膜燃料电池和直接醇类燃料电池的核心部件之一，其作用主要表现在以下几个方面(1)分隔电池的阳极和阴极，阻止燃料与空气或氧气的直接混合而发生化学反应；(2)传导质子，质子交换膜的质子电导率越高，其内阻力越小，从而燃料电池的效率越高；(3)作为电绝缘体阻止电子在膜内的传导，使电子由阳极通过外线路向阴极流动，产生外部电流。

磺酸型质子交换膜是一类以磺酸基团作为交换载体的质子交换膜，是目前应用于质子交换膜燃料电池中的一类极为重要的质子交换膜材料。在磺酸型质子交换膜内，质子通过磺酸基团聚集形成的离子簇进行传导，因此，磺酸基团聚集形成的离子簇越多，磺酸型质子交换膜的质子传导能力越强。传统的磺酸型质子交换膜由溶液铸膜法制备，主要包括以下步骤：配制聚合物溶液，然后将配制的聚合物溶液在烘箱内进行烘干，最终形成质子传输膜。

目前，磺酸型质子交换膜及其制备方法已经得到了广泛的报道，例如，申请号为201010195365.6的中国专利文献报道了一种复合质子交换膜，其制备方法为：将磺化度为50～70％的磺化聚醚醚酮溶液、聚苯胺滤液和杂多酸的混合溶液经流延成膜、干燥，得到复合质子交换膜。由于该方法在制备磺酸型质子交换膜过程中直接对混合溶液进行挥发溶剂的处理，不能对磺酸基团的排列的控制，从而所制备的磺酸型质子交换膜的磺酸基团形成很多不参与质子传导的无效磺酸基团，不能够完全形成离子簇，因此磺酸基团的利用率不高，导致制备的磺酸型质子交换膜的质子传导率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种磺酸型聚合物质子交换膜的制备方法，该方法制备磺酸型聚合物质子交换膜具有较高的质子传导率。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种磺酸型聚合物质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤a)向非质子极性溶剂中加入磺酸型聚合物，得到磺酸型聚合物溶液；

步骤b)将所述磺酸型聚合物溶液在水蒸气的环境下加热，得到磺酸型聚合物质子交换膜。

优选的，所述非质子极性溶剂为N，N-二甲基甲酰胺或N，N-二甲基乙酰胺。

优选的，所述磺酸型聚合物为磺化度为10％～60％的磺化聚醚醚酮。

优选的，所述磺酸型聚合物溶液的浓度为50～300mg/ml。

优选的，所述水蒸气的压力为2.33kPa～70kPa。

优选的，所述步骤b)具体为：

步骤b1)向密闭容器中加入水，加热至40～90℃；

步骤b2)将所述磺酸型聚合物溶液在所述密闭容器内升温至40～90℃并保温，得到初级膜；

步骤b3)将所述初级膜升温至100～120℃并保温，得到磺酸型聚合物质子交换膜。

优选的，所述步骤b1)的加热温度为60～80℃。

优选的，所述步骤b2)具体为：

步骤b21)将衬底置于密闭容器内；

步骤b22)将所述磺酸型聚合物溶液涂覆与所述衬底表面，升温至60～80℃并保温2～5小时，得到初级膜。

优选的，所述步骤b3)的升温温度为110℃。

优选的，所述步骤b3)的保温时间为0.5～2小时。

本发明提供一种磺酸型聚合物质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：步骤a)向非质子极性溶剂中加入磺酸型聚合物，得到磺酸型聚合物溶液；步骤b)将所述磺酸型聚合物溶液在水蒸气的环境下加热，得到磺酸型聚合物质子交换膜。与现有技术相比，本发明采用水蒸气诱导相转变方法，将磺酸型聚合物溶液在水蒸气的环境下加热，由于磺酸型聚合物溶液中的非质子极性溶剂与水蒸气与很好的相溶性，在成膜过程中水蒸气不断向磺酸型聚合物溶液中扩散，使磺酸型聚合物发生相分离，形成聚合物贫相和聚合物富相。在两相之间水的浓度差的驱动力下，磺酸型聚合物溶液中的非质子极性溶剂带着磺酸基团向聚合物富相表面迁移，形成了质子传输的通道，从而提高了制备的磺酸型聚合物质子交换膜的质子传导率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1制备的磺化聚醚醚酮质子交换膜的扫描电镜图片；