[发明专利]高强度保水全氟磺酸质子交换膜、制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种高强度保水全氟磺酸质子交换膜、制备方法及应用。所述制备方法包括步骤：(1)制备功能化石墨烯：按质量比称取石墨烯氧化物、乳酸单体、去离子水和辛酸亚锡加入高压釜中；(2)制备全氟磺酸树脂改性料：末端带‑SO₃Na的全氟磺酸树脂和聚乙烯醇混合水溶液加热，加入上述乳酸功能化石墨烯氧化物；(3)制备全氟磺酸树脂溶液：取全氟磺酸树脂改性料放入高压釜中，加入异丙醇水溶液；(4)钢带流延制膜：将上述全氟磺酸树脂溶液加入流延机的储料罐中，储料罐保温，并通过流延刀口在传动钢带上进行流延成膜，带膜的传动钢带进入烘箱中，得到应用于燃料电池的高强度保水全氟磺酸质子交换膜。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体地涉及一种高强度保水全氟磺酸质子交换膜、制备方法及应用。

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。理想的质子交换膜必须具备质子传导能力好、抗气体渗透、机械强度高、化学稳定性好以及成本低廉等特点。

鉴于上述问题，本领域采用氧化石墨烯等石墨烯氧化物增强的全氟磺酸质子交换均质膜作为燃料电池的电解质材料被认为是提高聚电解质膜机械性能的有效措施。氧化石墨烯等石墨烯氧化物具有大的表面积，可以提高质子交换膜的保水性能，因而可以保证膜在高温低湿度条件下的质子传导率。磺化的氧化石墨烯中的磺酸基团可以与聚合物基质产生相互作用，在膜中形成了亲水相-疏水相的相分离结构，从而可以形成质子传输通道，有利于提高复合膜的质子传导率。此外，氧化石墨烯加入离子型聚合物中，应用于甲醇燃料电池(DMFCs)时，还可以提高膜的阻醇性能。然而，氧化石墨烯与离子型聚合物制备的复合膜具有一些缺点，例如，膜的耐久性和稳定性能较差、氧化石墨烯和聚合物基质之间的界面结合力较弱，从而不利于其应用于离子型复合质子交换膜，因此需要通过共价键修饰对氧化石墨烯(GO)进行改性，以提高膜的稳定性能和耐久性能。

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高强度保水全氟磺酸质子交换膜，其具有机械强度高，耐久性好，溶胀率及甲醇渗透率更小，水保持率和电导率高的优点。

为了实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种高强度保水全氟磺酸质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：(1)制备功能化石墨烯：按质量比10:(1～3):20:0.2称取石墨烯氧化物、乳酸单体、去离子水和辛酸亚锡加入高压釜中，加压加热，温度100-120℃，压力1-2Mpa，时间4-10h，然后自然冷却至40-60℃，过滤，去离子水洗涤后得到乳酸功能化石墨烯氧化物；(2)制备全氟磺酸树脂改性料：末端带-SO₃Na的全氟磺酸树脂和聚乙烯醇混合水溶液加热至95-100℃，按水溶液的质量比5～20％，加入上述乳酸功能化石墨烯氧化物，搅拌均匀，高压釜中加压1.5-2Mpa加热105-120℃，保温2-10h，搅拌条件下常压加热干燥，得到全氟磺酸树脂改性料；(3)制备全氟磺酸树脂溶液：取全氟磺酸树脂改性料放入高压釜中，加入异丙醇水溶液，升温至120-150℃，搅拌5h，然后自然冷却，得到全氟磺酸树脂溶液；(4)钢带流延制膜：将上述全氟磺酸树脂溶液加入流延机的储料罐中，储料罐保温80-90℃，并通过流延刀口在温度为100-120℃的传动钢带上进行流延成膜，带膜的传动钢带进入烘箱中，调节烘箱的长度，根据传动钢带的速度，保证膜在烘箱中的停留时间为0.5-1h，得到高强度保水全氟磺酸质子交换膜。所述石墨烯氧化物为氧化石墨烯或磺化石墨烯中一种或组合。

可选的，所述步骤(2)中的末端带-SO₃Na的全氟磺酸树脂和聚乙烯醇混合溶液的浓度为8-30g/L，所述末端带-SO₃Na的全氟磺酸树脂和聚乙烯醇的质量比为10:2-3。

可选的，所述步骤(1)中的去离子水洗涤的次数为1-5次。

在第二方面，本发明提供了一种根据本发明第一方面所述的方法制备的高强度保水全氟磺酸质子交换膜。