[发明专利]全氟磺酸/耦合磷钨酸木质素涂膜液、离子交换膜及制备方法

说明书

本发明公开了一种全氟磺酸/耦合磷钨酸木质素涂膜液、离子交换膜及制备方法。所述全氟磺酸/耦合磷钨酸木质素涂膜液的制备原料包括耦合磷钨酸木质素、全氟磺酸树脂和溶剂；所述耦合磷钨酸木质素和全氟磺酸树脂的质量比为（0.1~15）:100。耦合磷钨酸木质素具有分散性好、亲水性好以及质子传导性高等优点，容易从分子尺度对质子传递通道进行调控，能实现质子快速传输，同时提高全氟磺酸交换膜在高温低湿条件下的保水率，促进了质子交换膜燃料电池产业化的发展。

技术领域

本发明涉及离子交换膜技术领域，尤其是涉及全氟磺酸/耦合磷钨酸木质素涂膜液、离子交换膜及制备方法。

背景技术

H₂-O₂质子交换膜燃料电池，具有响应迅速、高能量转换效率、高功率密度和零污染物排放等优点，被认为是最具发展前景的固定电源和汽车电源的替代电源之一。

离子交换膜需要具有高质子传导率，良好的稳定性和低燃料渗透率等特性。H₂-O₂质子交换膜燃料电池常用的全氟磺酸离子交换树脂(PFSA)膜具有质子传导性高、化学稳定性和热稳定性好等优点。但目前商业化PFSA膜的质子传导率在很大程度上取决于含水量，而PFSA膜在高温条件下容易脱水，影响电池的稳定性。即，在高温低湿度条件下PFSA膜的质子电导率下降，引起H₂-O₂质子交换膜燃料电池的欧姆电阻增加，从而导致电池性能迅速衰减。使用外部加湿设备是解决商业化PFSA膜在高温低湿度条件下质子电导率下降的常用办法，但增大了H₂-O₂质子交换膜燃料电池系统的整体尺寸和重量，同时也加剧了能量损耗。

因此，亟需研发一种在高温低湿条件下的保水能力高的质子交换膜。

发明内容

为了提升质子交换膜在高温低湿条件下的保水能力，本申请提供全氟磺酸/耦合磷钨酸木质素涂膜液、离子交换膜及制备方法。

第一方面，本申请提供一种全氟磺酸/耦合磷钨酸木质素涂膜液，其制备原料包括耦合磷钨酸木质素、全氟磺酸树脂和溶剂；所述耦合磷钨酸木质素和全氟磺酸树脂的质量比为(0.1～15):100。

耦合磷钨酸木质素具有分散性好、亲水性好以及质子传导性高等优点，容易从分子尺度对质子传递通道进行调控，能实现质子快速传输，同时提高膜在高温低湿条件下的保水率。耦合磷钨酸木质素表面富含磷钨酸、羟基等传导质子载体，具有良好的亲水性，可以为质子传输提供更多的传输通道，进而降低隔膜的电阻，促进质子交换膜燃料电池产业化的发展。

优选的，所述耦合磷钨酸木质素和全氟磺酸树脂的质量比为(1～15):100；更优选的，所述耦合磷钨酸木质素和全氟磺酸树脂的质量比为(1～10):100；更进一步优选的，所述耦合磷钨酸木质素和全氟磺酸树脂的质量比为(1～5):100；最优选的，所述耦合磷钨酸木质素和全氟磺酸树脂的质量比为1:20。

本申请控制耦合磷钨酸木质素和全氟磺酸树脂的质量比为1：20，制备的聚四氟乙烯/全氟磺酸/耦合磷钨酸木质素离子交换膜质地均匀、致密，无聚四氟乙烯、耦合磷钨酸木质素溶出现象。且表面水接触角更小，吸水率、拉伸强度和质子传导率均较高。该聚四氟乙烯/全氟磺酸/耦合磷钨酸木质素离子交换膜适应在质子交换膜燃料电池的应用要求，可以促进质子交换膜燃料电池的工业化发展。

优选的，所述耦合磷钨酸木质素的制备原料包括偶联剂改性木质素和磷钨酸水溶液；所述偶联剂改性木质素的质量与磷钨酸水溶液的体积的比值为1/100～1/20(g/mL)；更优选的，所述偶联剂改性木质素的质量与磷钨酸水溶液的体积的比值为1/50g/mL。

优选的，所述偶联剂改性木质素的制备方法为：将木质素、偶联剂加至去离子水和乙醇的混合溶液中，在20～80℃、搅拌反应1～24h，离心、洗涤、干燥后得偶联剂改性木质素；所述木质素和偶联剂的质量比为1:(0.1～10)。