[发明专利]一种精氨酸改性的质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明涉及中温质子交换膜及膜的制备方法，具体的说是一种精氨酸改性的质子交换膜及其制备方法。利用异种静电力的相互作用，采用精氨酸对PTFE进行表面改性，后进行磷酸掺杂，即获PTFE‑精氨酸/PBI‑PA复合膜；其中，所述复合膜中以PTFE‑精氨酸‑PA、PBI‑PA作为质子导体，以PTFE膜为增强骨架。本发明为具有优良质子电导率的中温质子交换膜，质子交换膜强度为12.4兆帕，断裂伸长率为59.6％，160℃时，电导率为11.4mS·cm^‑1。

技术领域

本发明涉及中温质子交换膜及膜的制备方法，具体的说是一种精氨酸改性的质子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池技术是一种具有潜力的能源利用技术，与传统的的能量转化技术相比，燃料电池技术具有高能量转化效率、清洁无污染等优势，近年来已经成为能源领域的研究重点。燃料电池可以用于给家庭中的电器、厨房供电、汽车动力系统、便携式电源等多种领域。燃料电池可以分为固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。其中PEMFC工作温度相对较低，具有安全性高、能量转换率高等优点，可以广泛应用于便携式电源、小型发电站等多种场合。

质子交换膜燃料电池中的主要构成组件有：电极、电解质隔膜与集电器等，质子交换膜是PEMFC结构中的最重要部件，决定了整个PEMFC的能量转化效率与使用寿命等。

全氟磺酸膜是目前已实现商业化的质子交换膜，其拥有质子传导率、机械强度高的优势。但是由于全氟磺酸膜的物理化学特性，其不能在90摄氏度以上的环境中稳定存在，会逐渐降解。不仅90℃以上的条件下膜会发生降解，这一温度下难以保持高湿度环境，全氟磺酸膜的电导率也出现明显降低，因此也使得水管理系统变得复杂。由于全氟磺酸型膜存在的问题，当前的研究主要集中在以下几个方面：一是对全氟磺酸型膜进行改性；二是开发新型的低温膜材料以及开发新型中高温膜材料。其中中温燃料电池由于具有简洁的水管理方法以及不太高的操作温度而体现出其特有的优势。

高于100℃条件下，水分散失迅速，为了使质子交换膜低湿度的条件，就要寻找具有较强热稳定性、高力学强度、不依赖高湿度环境的质子交换膜。PBI-PA(磷酸掺杂的聚苯并咪)质子交换膜是被广泛使用的中温燃料电池质子交换膜。磷酸具有质子传导特性并且价格低廉，在PBI-PA质子交换膜中，磷酸作为质子交换过程发生的活性位点，PBI分子链中的氮是磷酸附着的附着位点，并可以在160℃较稳定存在。未经磷酸掺杂的PBI几乎没有质子传导能力，磷酸掺杂后的PBI膜质子传输能力大大提高，160℃条件下可以达到5Ms/cm。但是PBI膜的力学性能仍然存在着缺欠，限制了其在质子交换膜燃料电池中的应用。针对其这一缺欠，PTFE复合是可行的解决方案。虽然PTFE复合后PBI的力学强度得到了提高，但是PTFE低的质子传导能力无可避免地使得复合膜的电导率相对降低。因此，对复合膜中的PTFE进行改性是提高质子交换膜性能的可行方案。

发明内容

本发明目的在于解决上述技术问题提供一种精氨酸改性的质子交换膜及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取了如下具体技术措施：

一种精氨酸改性的质子交换膜，利用异种静电力的相互作用采用精氨酸对经PTFE修饰的PBI-PA膜进行改性，即获PTFE-精氨酸/PBI-PA复合膜；其中，所述复合膜中以PTFE-精氨酸-PA、PBI-PA作为质子导体，以PTFE膜为增强骨架。

一种精氨酸改性的质子交换膜的制备方法，利用异种静电力的相互作用采用精氨酸对经PTFE修饰的PBI-PA膜进行改性，即获PTFE-精氨酸/PBI-PA复合膜；其中，所述复合膜中以PTFE-精氨酸-PA、PBI-PA作为质子导体，以PTFE膜为增强骨架。

进一步的说：

(1)50-80℃条件下，将亲水PTFE膜在烘箱中于有机溶剂中浸泡30-90min；