本发明属于质子交换膜
技术领域：
，具体涉及一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法。
背景技术：
：质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)作为新一代发电技术，具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。质子交换膜(ProtonExchangeMembrane，PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件，对电池性能起着关键作用。它不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用。质子交换膜中，全氟磺酸质子交换膜被广泛地应用。目前，全氟磺酸质子交换膜的成型工艺主要有：挤出成型、溶液成型和复合成型；挤出成型工艺可分为熔融挤出成型和凝胶挤出成型，熔融挤出成型又分为熔融挤出流延成型和熔融挤出压延成型。所有上述制膜工艺存在的最大问题是工艺周期长、工艺复杂、成膜的成本高。技术实现要素：本发明的目的是解决上述问题，提供一种生产周期短、工艺简单、膜厚可控的全氟磺酸质子交换膜的制备方法。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种全氟磺酸质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：S1：按(0.025～0.5)g：(10～20)ml：(5～10)ml的比例称取全氟磺酸树脂、溶剂以及N-甲基吡咯胺酮；S2：在溶剂中加入N-甲基吡咯胺酮，搅拌至均匀制得混合溶剂；S3：向步骤S2制得的混合溶剂中加入称量的全氟磺酸树脂，继续搅拌至颗粒分散均匀，制得稳定的悬浮液；S4：将两片电极极片插入到步骤S3制得的悬浮液中，经电泳，得到全氟磺酸质子交换膜。上述制备方法中，步骤S1中的溶剂包括乙醇、异丙醇、丙酮中的至少一种，本发明以乙醇为例进行实验说明。上述制备方法中，步骤S2中，先在溶剂中按比例加入N-甲基吡咯胺酮配制混合溶剂是本技术的一个核心所在，该混合溶液可以使树脂颗粒均匀的悬浮在其中并利于电泳膜的获得。N-甲基吡咯胺酮不仅是稳定的有机溶剂，还在电泳过程中起到分散剂的作用，使树脂颗粒均匀的分散在溶剂中。上述制备方法中，步骤S2中，搅拌时间并无任何限制，N-甲基吡咯胺酮和乙醇混合均匀即可。步骤S3中，搅拌的目的是为了在常温常压下，使全氟磺酸树脂完全溶解于混合溶剂中，制得稳定的悬浮液，便于在正极极片成膜，搅拌时间可以采用常规。搅拌的最佳时间根据悬浮体系与搅拌量而定，搅拌至颗粒分散均匀，得到稳定的悬浮液即可。本发明中，设置的搅拌时间为2～4h。上述制备方法中，步骤S4中电极极片为电泳操作中常用的电极极片，极片材料可以选用但不限于导电玻璃、铜片、铝片、Si/SiO2/Ti/Pt、石墨片中的一种。可通过改变正极极片的形状控制制备的全氟磺酸质子交换膜的形状。从成膜效果考虑，在本发明中，优选采用石墨片作为负极极片、导电玻璃作为正极极片。此外，在本发明的实施例中，还对金属电极片进行乙醇超声清洗3～5min，去离子水超声清洗1min左右，以便于更好成膜。上述制备方法中，步骤S4电泳操作中的施加条件、维持时间以及电极间距可以采用常规，其目的是在正极极片上生成全氟磺酸质子交换膜；施加的电压可以直流电压也可以是脉冲电压。施加电压的大小和施加方式主要影响膜的厚度、成膜速度以及膜的致密性。根据发明人研究，从成膜的效果角度考虑，施加电压优选为20-70V，电泳时间可以根据施加电压和最终设定的全氟磺酸质子交换膜的厚度来确定。本发明中，设定的电极间距为3～10mm，电泳时间为300～600s。在电泳操作完成后，将正极极片取下，自然风干或烘干得到全氟磺酸质子交换膜。进一步的，本发明中，设定的烘干温度为80℃，烘干时间为3～5min，从烘箱中取出正极极片放入去离子水中静置1～3min后取出，用镊子将薄膜从电极片上揭下来即可。值得说明的是，本发明所采用的全氟磺酸树脂、乙醇以及粘合剂，均没有任何特殊的要求，可通过市场购买获得。本发明提供的全氟磺酸质子交换膜的制备方法具有以下有益效果是：1、首先通过本发明提供的方法能够获得适用于电泳操作的悬浮液，基于该悬浮液，可以通过电泳方法获得全氟磺酸质子交换膜，这是首次通过电泳方法获得全氟磺酸质子交换膜；2、制备工艺简单，易于操作，制备时间短、效率高、成本低，适于工业化生产和应用；3、制备得到的全氟磺酸质子交换膜，经阻抗测试，电导率为(1～5)×10-2S/cm，满足质子交换膜燃料电池的使用要求；4、本发明提供的方法，一次成膜，全氟磺酸质子交换膜的厚度、面积均可控，薄膜成分与树脂颗粒成分几乎完全一致。附图说明图1是本发明全氟磺酸质子交换膜与全氟磺酸树脂颗粒的红外光谱图。具体实施方式为了更好的了解本发明的目的和意义，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：实施例1S1：称取全氟磺酸树脂0.15g，乙醇14ml，N-甲基吡咯胺酮7ml的比例；S2：在乙醇中加入N-甲基吡咯胺酮，搅拌0.1h至均匀制得混合溶剂；S3：向步骤S2制得的混合溶剂中加入称量的全氟磺酸树脂，搅拌时间3h，至颗粒分散均匀，制得稳定的悬浮液；S4：以石墨片为负极极片，以导电玻璃为正极极片，将两片电极极片插入到步骤S3制得的悬浮液中，施加50V直流电压，电极间距5mm，电泳300s，得到全氟磺酸质子交换膜。进一步的，本实施例中所述步骤S4，在同样的工艺条件和参数下，正极极片还使用分别采用了铜片、铝片、白金片进行电泳。实施例2S1：称取全氟磺酸树脂0.05g，乙醇20ml，N-甲基吡咯胺酮5ml的比例；S2：在乙醇中加入N-甲基吡咯胺酮，搅拌0.1h至均匀制得混合溶剂；S3：向步骤S2制得的混合溶剂中加入称量的全氟磺酸树脂，搅拌时间2.5h，至颗粒分散均匀，制得稳定的悬浮液；S4：以石墨片为负极极片，以导电玻璃为正极极片，将两片电极极片插入到步骤S3制得的悬浮液中，施加50V直流电压，电极间距5mm，电泳300s，得到全氟磺酸质子交换膜。实施例3S1：称取全氟磺酸树脂0.05g，乙醇10ml，N-甲基吡咯胺酮5ml的比例；S2：在乙醇中加入N-甲基吡咯胺酮，搅拌0.1h至均匀制得混合溶剂；S3：向步骤S2制得的混合溶剂中加入称量的全氟磺酸树脂，搅拌时间2h，至颗粒分散均匀，制得稳定的悬浮液；S4：以石墨片为负极极片，以导电玻璃为正极极片，将两片电极极片插入到步骤S3制得的悬浮液中，施加50V直流电压，电极间距5mm，电泳300s，得到全氟磺酸质子交换膜。实施例4S1：称取全氟磺酸树脂0.5g，乙醇10ml，N-甲基吡咯胺酮10ml的比例；S2：在乙醇中加入N-甲基吡咯胺酮，搅拌0.1h至均匀制得混合溶剂；S3：向步骤S2制得的混合溶剂中加入称量的全氟磺酸树脂，搅拌时间2h，至颗粒分散均匀，制得稳定的悬浮液；S4：以石墨片为负极极片，以导电玻璃为正极极片，将两片电极极片插入到步骤S3制得的悬浮液中，施加50V直流电压，电极间距5mm，电泳300s，得到全氟磺酸质子交换膜。实施例5S1：称取全氟磺酸树脂0.5g，乙醇20ml，N-甲基吡咯胺酮5ml的比例；S2：在乙醇中加入N-甲基吡咯胺酮，搅拌0.1h至均匀制得混合溶剂；S3：向步骤S2制得的混合溶剂中加入称量的全氟磺酸树脂，搅拌时间4h，至颗粒分散均匀，制得稳定的悬浮液；S4：以石墨片为负极极片，以导电玻璃为正极极片，将两片电极极片插入到步骤S3制得的悬浮液中，施加50V直流电压，电极间距5mm，电泳300s，得到全氟磺酸质子交换膜。对实施例1制备的全氟磺酸质子交换膜进行阻抗测试，测试结果如表1所示：表1：全氟磺酸质子交换膜阻抗测试正极材料膜厚/mm外貌电导率铝0.233较粗糙1.8×10-2S/cm铜0.077较光滑1.5×10-2S/cm白金0.061较光滑2.5×10-2S/cm导电玻璃0.014最光滑2.1×10-2S/cm由表1可看出，本发明制备的全氟磺酸质子交换膜，电导率为(1～5)×10-2S/cm，满足质子交换膜燃料电池的使用要求。以实施例1制备的全氟磺酸质子交换膜与全氟磺酸树脂颗粒进行红外测试，可看出薄膜的成分与颗粒成分几乎完全一致。对实施例2～5制备的全氟磺酸质子交换膜进行阻抗测试，测试结果如表2所示：表2：全氟磺酸质子交换膜阻抗测试实施例膜厚/mm外貌电导率20.058光滑1.5×10-2S/cm30.069光滑1.3×10-2S/cm40.491光滑1.0×10-2S/cm50.323光滑1.1×10-2S/cm由表2可看出，本发明中由相同电极不同配方制备的全氟磺酸质子交换膜，电导率为(1～5)×10-2S/cm，均可满足质子交换膜燃料电池的使用要求。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。当前第1页1 2 3