液；量取90gNafion/DMF溶液，逐滴加入上面所制備的F108表面活 性劑溶液中，攪拌2h，再將該混合溶液倒入已準備好的潔凈、平滑的聚四氟乙烯模具中，放 入真空干燥箱內(nèi)，在40 °C下保溫10h后，再在50 °C下保溫5h，90 °C下保溫2h，最后在120°C 下保溫lh。將得到的膜浸泡到5%H202溶液中，隨之將H202溶液緩慢加熱到90°C，除去表 面活性劑，得到具有有序介孔結(jié)構(gòu)的Nafion膜；然后將所制備的介孔Nafion膜浸泡到飽和 磷鎢酸溶液中，將飽和磷鎢酸溶液加熱至80°C，保溫2h，冷卻至室溫，將膜取出，用去離子 水沖洗表面，除去表面所附著的磷鎢酸；用2MH2S04溶液將Nafion/DMF溶液pH至調(diào)節(jié)至 1，在90 °C下噴涂到磷鎢酸摻雜的介孔Nafion膜兩側(cè)，然后在120 °C下，保溫lh，再在160°C 條件下，保溫lh，得到具有三明治結(jié)構(gòu)的高保水能力質(zhì)子交換膜，膜的厚度為50μπι，中間 層為40μm，保護層為5μm。該膜在80°C、不同相對濕度下的質(zhì)子電導(dǎo)率如表1所不。
[0026]表1
[0027]
[0028] 實施例2
[0029] -種用于燃料電池的質(zhì)子交換膜，該膜的厚度為100μπι，其他同實施例1。
[0030] -種用于燃料電池的質(zhì)子交換膜的制備方法，該方法按以下步驟操作：
[0031] 稱取1. 0gF108表面活性劑，溶于20g異丙醇與水的混合溶劑中，其中異丙醇與 水的質(zhì)量比控制在9:1，用2MH2S04溶液將上面混合溶液pH值調(diào)節(jié)至1，勻速攪拌2h;稱 取200g質(zhì)量分數(shù)為5%的Nafion溶液，加入190gDMF溶液中，加熱到100°C去除水和低沸 點溶劑，得到Nafion/DMF溶液；量取180gNafion/DMF溶液，逐滴加入上面所制備的F108 表面活性劑溶液中，攪拌2h，再將該混合溶液倒入已準備好的潔凈、平滑的聚四氟乙烯模具 中，放入真空干燥箱內(nèi)，在40 °C下保溫10h后，再在50°C下保溫5h，90 °C下保溫2h，最后在 120°C下保溫lh。將得到的膜浸泡到5%H202溶液中，隨之將H202溶液緩慢加熱到90°C，除去 表面活性劑，得到具有有序介孔結(jié)構(gòu)的Nafion膜；然后將所制備的介孔Nafion膜浸泡到飽 和磷鎢酸溶液中，將飽和磷鎢酸溶液加熱至80°C，保溫2h，冷卻至室溫，將膜取出，用去離 子水沖洗表面，除去表面所附著的磷鎢酸；用2MH2S04溶液將Nafion/DMF溶液pH至調(diào)節(jié)至 1，在90°C下噴涂到磷鎢酸摻雜的介孔Nafion膜兩側(cè)，然后在120°C下，保溫lh，再在160°C 條件下，保溫lh，得到具有三明治結(jié)構(gòu)的高保水能力質(zhì)子交換膜，膜的厚度為100μπι，中間 層為80μm，保護層為10μm。
[0032] 本實施例應(yīng)用于電極面積為3. 5X3. 5cm2的單節(jié)Η2/02燃料電池，電極為多孔氣 體擴散電極，用于陰極和陽極的載鉑量分別為l.Omg/cm2和0.5mg/cm2,膜電極（ΜΕΑ)是在 5MPa、130°C下熱壓3分鐘制得。電池性能測試：分別用氫氣和氧氣作為燃料和氧化劑，采用 反應(yīng)氣體夾帶增濕方式，調(diào)節(jié)氣體壓力為0. 2-0. 3MPa，氫氣和氧氣流速分別控制為200mL/ min和400mL/min，電池加熱至80°C，增濕氣體溫度控制在不同溫度下，即當(dāng)氣體濕度為 100%時，增濕氣體溫度為80°C;當(dāng)氣體濕度為50%時，增濕氣體溫度為64°C;當(dāng)不增濕時， 燃料和氧化劑氣體不經(jīng)過加濕器，即直接使用干氫氣和氧氣。所得電池性能極化曲線如圖 2所示。將電池加熱至120°C，增濕氣體溫度控制在75°C，此時，相對濕度為20 %，所得電 池性能極化曲線如圖3所示。從圖2可見，在不增濕條件下，電池仍具有較高的性能；從圖 3可見，電池在高溫、低濕度環(huán)境下工作時，也具有較高的性能，說明所制備的質(zhì)子交換膜在 低濕度環(huán)境下具有很強的保水能力和良好的質(zhì)子電導(dǎo)率。
【主權(quán)項】
1. 一種用于燃料電池的質(zhì)子交換膜，其特征是該膜具有三明治結(jié)構(gòu)，三明治結(jié)構(gòu)由兩 個保護層和一個中間層構(gòu)成，其中中間層是雜多酸注入的具有有序介孔結(jié)構(gòu)的膜，由介孔 通道和雜多酸構(gòu)成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于燃料電池的質(zhì)子交換膜，其特征是所述的雜多酸為 磷鎢酸或磷鉬酸或硅鎢酸。3. -種用于燃料電池的質(zhì)子交換膜的制備方法，其特征是該方法包括以下步驟： a. 首先將表面活性劑在室溫下溶于異丙醇與水的混合溶劑中，異丙醇與水的質(zhì)量比為 9: 1，所述的表面活性劑包括：三嵌段共聚物F108和F127,表面活性劑的質(zhì)量百分比濃度控 制在1-20% ; b. 稱取質(zhì)量百分比濃度5-10%的全氟磺酸樹脂溶液加入到二甲基甲酰胺溶液中，二 甲基甲酰胺簡稱DMF，在100°C_150°C下加熱，去除水和低沸點溶劑，得到全氟磺酸樹脂/ DMF溶液，全氟磺酸樹脂在DMF中的質(zhì)量濃度控制在5-10% ; c. 將步驟b制備的全氟磺酸樹脂/DMF溶液緩慢加入步驟a制備的表面活性劑溶液中， 用2M氏504溶液將上述混合溶液的pH值調(diào)至1-2,勻速攪拌，在35°C-45°C下保溫5-10h， 然后緩慢倒入光滑、潔凈的PTFE模具中； d. 將PTFE模具放入真空干燥箱中，調(diào)節(jié)模具水平放置，在50°C-55°C下保溫4-6h，緩 慢升溫至80°C-90°C，保溫l_2h，最后在120°C_130°C下，保溫l_2h，在PTFE模具中形成 膜； e. 將步驟d所得到的膜浸泡到5-10%的H202溶液中，加熱至80°C-90°C，除去膜中的 表面活性劑，得到具有有序介孔結(jié)構(gòu)的全氟磺酸樹脂膜； f. 將步驟e制得的具有介孔結(jié)構(gòu)的全氟磺酸樹脂膜浸泡在飽和雜多酸溶液中，加熱到 80°C-90 °C后保溫4-6h，然后將膜取出，再在120°C-130 °C下保溫l_2h，然后將膜取出，用去 離子水沖洗膜表面，除去膜表面所附著的雜多酸； g. 用2MH2S04溶液將5-10 %全氟磺酸樹脂/DMF溶液pH調(diào)節(jié)至1-2,然后在 80°C_100°C下噴涂到步驟f所制備的膜的表面； h. 將步驟g所制得的膜在120°C_130°C下保溫l_2h，再在160°C_170°C下保溫l_2h， 最后得到具有三明治結(jié)構(gòu)高保水能力的質(zhì)子交換膜。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于燃料電池具有三明治結(jié)構(gòu)高保水能力的質(zhì)子交換膜及其制備方法，其特征在于該膜具有三明治結(jié)構(gòu)，其中間層為雜多酸注入的具有有序介孔導(dǎo)電通道的多孔膜，在中間層兩側(cè)分別是保護層。這種膜的制備方法是：通過表面活性劑和全氟磺酸樹脂單體共混后澆注成膜；然后去除表面活性劑，得到具有有序介孔導(dǎo)電通道的多孔膜；隨之將雜多酸在高溫下注入到多孔膜中，利用熱噴涂技術(shù)在雜多酸注入的多孔膜兩側(cè)分別制備保護層，得到具有三明治結(jié)構(gòu)的高保水能力質(zhì)子交換膜。該膜在高溫、低濕度環(huán)境下，仍具有優(yōu)異的保水能力、質(zhì)子電導(dǎo)率和良好的穩(wěn)定性，可滿足質(zhì)子交換膜燃料電池在高溫、低濕度環(huán)境下工作的應(yīng)用要求。
【IPC分類】H01M4/88, H01M4/94
【公開號】CN105355939
【申請?zhí)枴緾N201510845210
【發(fā)明人】路金林, 韓露, 艾天宇, 王琳, 周艷文
【申請人】遼寧科技大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年11月26日