一种磷钨酸—聚乙烯醇缩甲醛复合质子交换膜的制备方法
【专利摘要】本发明涉及燃料电池所用质子交换膜的制备方法，具体为一种磷钨酸—聚乙烯醇缩甲醛复合质子交换膜的制备方法，该方法首先将聚乙烯醇缩甲醛溶解于醇水混合溶液中制成高分子溶液，加入浓磷酸和钨酸钠或磷钨酸，将其加热、搅拌，形成溶液，将溶液浇注在玻璃板上并烘干成膜，即得到磷钨酸—聚乙烯醇缩甲醛复合质子交换膜，本发明制备的复合质子交换膜的质子传导性能优异，其质子传导速率大于Nafion膜的质子传导率，而且具有良好的稳定性；溶胀度小于Nafion膜的溶胀度；而且本发明制备工艺简单，制膜成本低于制Nafion膜成本，易于产业化。
【专利说明】—种磷钨酸一聚乙烯醇缩甲醛复合质子交换膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池所用质子交换膜的制备方法，具体为一种磷钨酸一聚乙烯醇缩甲醛复合质子交换膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)因为其高能效和无污染等优点而被认为是最有发展前途的清洁能源之一，质子交换膜燃料电池直接将燃料和氧化剂(O2)的化学能转化为电能，是一种新型的发电装置。同时，质子交换膜燃料电池体积小、重量较轻，使用起来安全方便，足以代替现在便携式电动装置上使用的传统充电电池，如移动电话、笔记本电脑、数码相机、摄像机、电动自行车等。高功率的质子交换膜燃料电池甚至还可以用于汽车上，质子交换膜燃料电池已经成为未来新型能源的一个重要研究方向。
[0003]作为燃料电池的核心材料，质子交换膜起到了使质子(H+)选择性的从阳极传导到阴极的作用，同时它阻隔了燃料和氧化剂。质子交换膜的性能决定着燃料电池性能。
[0004]目前应用于燃料电池中的质子交换膜为全氟磺酸膜，例如美国杜邦公司生产的Nafion膜。Nafion膜的化学和机械稳定性好，质子导电性能优良，但其存在成本高和温度超过100°C时质子电导率急速下降等缺点，限制了它的商业化应用。因此，开发成本低、稳定性好的质子交换膜成为了研究热点。
【发明内容】
[0005]本发明为了解决现有的质子交换膜生产成本高和稳定性低的问题，提供了一种磷钨酸一聚乙烯醇缩甲醛复合质子交换膜的制备方法。
[0006]本发明是采用如下的技术方案`实现的:一种磷钨酸一聚乙烯醇缩甲醛复合质子交换膜的制备方法，包括以下步骤:
将质量份为50-80份的聚乙烯醇缩甲醛溶于质量份为100-2400份的醇水混合溶液，制得聚乙烯醇缩甲醛溶液，其中，聚乙烯醇缩甲醛的缩合度为30%-45%，醇水混合溶液中醇和水的体积比为1:10 —10:1，所选的醇为甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇中的一种；
将聚乙烯醇缩甲醛溶液加热至45°C _100°C，并搅拌1-10小时；
将上述溶液降温至20°C _40°C，然后向溶液中加入质量份为5-50份的磷钨酸或质量份分别为5-35份和5-15份的钨酸钠和质量百分比浓度为60%-85%的浓磷酸的混合物，将溶液加热到60°C _100°C，并搅拌1-5小时，再自然冷却，得到浇注溶液；
浇注溶液浇注在玻璃板上，并控制浇注在玻璃板上的膜厚度为80-200微米，真空烘干3-24h，真空烘干的温度为40°C -70°C，得到磷钨酸-聚乙烯醇缩甲醛复合质子交换膜。
[0007]聚乙烯醇缩甲醛是一种良好的成膜材料，具有较高的强度、刚度和硬度，并有良好的黏结性和化学稳定性，现将聚乙烯醇缩甲醛配置成溶液，向配置成的溶液中加入具有质子导电能力的磷钨酸或者生成磷钨酸的原料钨酸钠和浓磷酸，加入的磷钨酸或者由原料合成的磷钨酸能提高聚乙烯醇缩甲醛的质子电导率，最后制得的磷钨酸-聚乙烯醇缩甲醛复合质子交换膜具有良好的稳定性和质子电导率，本发明制作工艺简单，制模成本低于制Nafion膜的成本；本方法中的工艺参数都由科研人员优选得出，特别是聚乙烯醇缩甲醛的缩合度、聚乙烯醇缩甲醛和磷钨酸或生成磷钨酸的原料钨酸钠和浓磷酸之间的配比和最后成膜的厚度都是由科研人员经过大量实验优选出的，为此科研人员付出了创造性的劳动。
[0008]本发明与现有材料和技术相比具有如下的优点:
1.本发明制成的质子交换膜的质子传导性能优异，其质子传导速率大于Nafion膜的质子传导率，而且具有良好的稳定性；
2.本发明制成的质子交换膜溶胀度小于Nafion膜的溶胀度；
3.本发明制备工艺简单，制膜成本低于制Nafion膜成本，易于产业化。
【具体实施方式】
[0009]实施例一:
一种磷钨酸一聚乙烯醇缩甲醛复合质子交换膜的制备方法，包括以下步骤:
将5克的缩合度为45%的聚乙烯醇缩甲醛溶于100克的甲醇和水的混合溶液，制得聚乙烯醇缩甲醛溶液，甲醇和水的体积比为1:9 ；
将聚乙烯醇缩甲醛溶液加热至100°C，并搅拌10小时；
将上述溶液降温至40°C，向溶液中加入3.5克的钨酸钠和1.5克的质量百分比浓度为85%的浓磷酸，然后将溶液加热到100°C，并搅拌5小时，再自然冷却，得到浇注溶液；
浇注溶液浇注在玻璃板上，并控制浇注在玻璃板上的膜厚度为200微米，真空烘干24h，真空烘干的温度为70°C，得到磷钨酸-聚乙烯醇缩甲醛复合质子交换膜。
[0010]通过四电极交流阻抗法测制得的质子交换膜和Nafionll7的电导率，再测试制得的质子交换膜和Nafionll7的溶胀率，测溶胀率的具体步骤为:将干的制得的质子交换膜和Nafionl 17都剪裁成大小为2cmX4cm的长方形膜片(设面积为Sd)，浸入水溶液中，充分溶胀24h后取出，测定湿的质子交换膜和Nafionll7的尺寸，得到面积Sw，通过下式计算膜的溶胀率SD:SD= (Sw-Sd) / SdX 100%,结果如下表所示:
【权利要求】
1.一种磷钨酸一聚乙烯醇缩甲醛复合质子交换膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤: 将质量份为50-80份的聚乙烯醇缩甲醛溶于质量份为100-2400份的醇水混合溶液，制得聚乙烯醇缩甲醛溶液，其中，聚乙烯醇缩甲醛的缩合度为30%-45%，醇水混合溶液中醇和水的体积比为1:10 —10:1，所选的醇为甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇中的一种； 将聚乙烯醇缩甲醛溶液加热至45°C _100°C，并搅拌1-10小时； 将上述溶液降温至20°C _40°C，然后向溶液中加入质量份为5-50份的磷钨酸或质量份分别为5-35份和5-15份的钨酸钠和质量百分比浓度为60%-85%的浓磷酸的混合物，将溶液加热到60°C _100°C，并搅拌1-5小时，再自然冷却，得到浇注溶液； 浇注溶液浇注在玻璃板上，并控制浇注在玻璃板上的膜厚度为80-200微米，真空烘干3-24h，真空烘干的温`度为40°C -70°C，得到磷钨酸-聚乙烯醇缩甲醛复合质子交换膜。
【文档编号】C08L29/14GK103627012SQ201310624530
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月1日 优先权日:2013年12月1日
【发明者】罗居杰, 宋艳慧, 解小玲, 何宏伟, 王亚玲, 卢盼娜 申请人:太原理工大学