一种宽温域聚合物电解质膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种宽温域聚合物电解质膜及其制备方法和应用，制备过程包括以下步骤：(1)通过溶胶

【技术实现步骤摘要】
一种宽温域聚合物电解质膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于聚合物电解质膜
，具体涉及一种宽温域聚合物电解质膜及其制备方法和应用，特别是在氢燃料电池中的应用。

技术介绍

[0002]传统氢燃料电池用质子交换膜根据使用温度范围分为两类：一是使用温度低于100℃以全氟磺酸膜为代表性的低温聚合物电解质膜；另一类使用温度在120℃～160℃以聚苯并咪唑为代表的高温聚合物电解质膜。但两类聚合物电解质膜都具有一定的局限性。如低温聚合物电解质膜的质子传导主要依赖于水作介质而无法在高于100℃的环境下使用，水热管理系统复杂；高温聚合物电解质膜的质子传导主要依赖于磷酸介质，过多的磷酸对膜塑化作用严重导致膜机械性能差，同时酸流失带来电化学性能下降。
[0003]基于上述理由，提出本申请。

技术实现思路

[0004]基于上述理由，针对现有技术中存在的问题或缺陷，本专利技术的目的在于提供一种宽温域聚合物电解质膜及其制备方法和应用，解决或至少部分解决现有技术中存在的上述技术缺陷。
[0005]本专利技术通过溶胶
‑
凝胶法，将一类含氧多酸的多氧分子结构的单体与有机硅进行复配，处理后获得硅改性化合物，经溶解分散后与聚合物成膜液共混形成均一体系后浇铸成膜，制得所述的宽温域聚合物电解质膜。该膜的使用温度范围广，在低温100℃以下、高温100℃～200℃温度范围内均可使用。本专利技术制备方法工艺简单，制得的聚合物电解质膜在高、低温下均能保持高质子传导性，并且具有优异的耐热性、机械强度高、成膜性好。
[0006]为了实现本专利技术的上述第一个目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种宽温域聚合物电解质膜，所述聚合物电解质膜是通过溶胶
‑
凝胶法将制备的硅改性化合物溶解分散后与聚合物成膜液共混形成均一体系后浇铸成膜获得。
[0008]进一步地，上述技术方案，所述聚合物成膜液中的聚合物为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚偏氟乙烯、聚亚芳基哌啶、聚砜、聚酰亚胺、聚苯并咪唑中的一种或几种的混合。
[0009]进一步地，上述技术方案，所述硅改性化合物是有机硅溶液与杂多酸溶液进行滴加反应后干燥获得。
[0010]更进一步地，上述技术方案，所述有机硅溶液中有机硅为丙基三甲氧基硅烷、3
‑
氨丙基三甲氧基硅烷、3
‑
氨基丙基三乙氧基硅烷、3
‑
氨丙基三羟基硅烷、3
‑
(2,3
‑
环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、N
‑
[3
‑
(三乙氧硅基)丙基]‑
4,5
‑
双氢咪唑、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、烯丙基三甲基硅烷、烯丙基三甲氧基硅烷、烯丙基三乙氧基硅烷、3
‑
氯丙基三甲氧基硅烷、3
‑
氯丙基三乙氧基硅烷、γ
‑
(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、γ
‑
(甲基丙烯酰氧)丙基三乙氧基硅烷中的一种或几种的混合。
[0011]更进一步地，上述技术方案，所述杂多酸溶液中杂多酸为磷钨酸、硅钨酸、磷钼酸、
硅钼酸中的一种或几种的混合。
[0012]更进一步地，上述技术方案，所述硅改性化合物采用如下方法制备而成，包括如下步骤：
[0013]室温下，分别配制有机硅溶液和杂多酸溶液；然后将有机硅溶液逐滴加入到杂多酸溶液中，滴加结束后继续反应1
‑
6h，反应结束后将产物过滤、干燥，得到所述的硅改性化合物。
[0014]具体地，上述技术方案，反应时间对产物的粒径大小有影响，反应时间不同，产物的结晶状态也不同。
[0015]优选地，上述技术方案，所述有机硅溶液中的有机硅与杂多酸溶液中的杂多酸的摩尔比为1:1
‑
1:3。
[0016]优选地，上述技术方案，所述滴加速度为1
‑
3滴/s。如滴加速度太快，例如超过3滴/s，会导致反应剧烈，得到的产物粒径大，且粒径分布不均。
[0017]进一步地，上述技术方案，所述宽温域聚合物电解质膜的厚度在20～80μm之间。
[0018]本专利技术的第二个目的在于提供上述所述宽温域聚合物电解质膜的制备方法，包括以下步骤：
[0019](1)通过溶胶
‑
凝胶法制备硅改性化合物，然后将所述硅改性化合物溶解于溶剂中超声分散制备分散液；
[0020](2)将聚合物溶解于溶剂中制备成膜液；
[0021](3)将步骤(1)所述分散液与步骤(2)所述成膜液共混形成均一体系后浇铸成膜，最终获得所述的宽温域聚合物电解质膜。
[0022]进一步地，上述技术方案，步骤(1)制备所述分散液和步骤(2)制备所述成膜液采用的溶剂均可以为去离子水、甲醇、乙醇、异丙醇、N,N
‑
二甲基甲酰胺、N,N
‑
二甲基乙酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的一种或几种的混合。
[0023]进一步地，上述技术方案，步骤(1)中所述分散液和步骤(2)中所述成膜液的固含量均为5wt％
‑
70wt％。
[0024]本专利技术的第三个目的在于提供上述所述宽温域聚合物电解质膜的应用，可用于氢燃料电池中。
[0025]一种氢燃料电池，包括上述所述的宽温域聚合物电解质膜。
[0026]本专利技术涉及的机理如下：
[0027]本专利技术利用有机硅引入硅氧键提高了宽温域聚合物电解质膜的耐热性及强度；同时杂多酸具有特殊的笼状结构，其多酸具有储存质子的性能，是一类很好的受体材料。
[0028]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0029](1)本专利技术提供的宽温域聚合物电解质膜的使用温度范围广，在低温100℃以下、高温100℃～200℃温度范围内均可使用。
[0030](2)本专利技术提供的宽温域聚合物电解质膜的制备方法简单，通过溶胶
‑
凝胶法制备硅改性化合物，经溶解分散后与聚合物成膜液共混形成均一体系后浇铸成膜，最终获得聚合物电解质膜，制备的聚合物电解质膜具有优异的耐热性、机械强度高、成膜性好，且在高、低温下均能保持较高的质子传导性。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]图1为本专利技术实施例1
‑
3制备的宽温域聚合物电解质膜的应力
‑
应变(Stress
‑
Strain)曲线图；
[0033]图2为本专利技术实施例1
‑
3制备的宽温域聚合物电解质膜的热稳定性测试结果图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽温域聚合物电解质膜，其特征在于：所述聚合物电解质膜是通过溶胶
‑
凝胶法将制备的硅改性化合物溶解分散后与聚合物成膜液共混形成均一体系后浇铸成膜获得。2.根据权利要求1所述的宽温域聚合物电解质膜，其特征在于：所述聚合物成膜液中的聚合物为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚偏氟乙烯、聚亚芳基哌啶、聚砜、聚酰亚胺、聚苯并咪唑中的一种或几种的混合。3.根据权利要求1所述的宽温域聚合物电解质膜，其特征在于：所述硅改性化合物是有机硅溶液与杂多酸溶液进行滴加反应后干燥获得。4.根据权利要求3所述的宽温域聚合物电解质膜，其特征在于：所述有机硅溶液中有机硅为丙基三甲氧基硅烷、3
‑
氨丙基三甲氧基硅烷、3
‑
氨基丙基三乙氧基硅烷、3
‑
氨丙基三羟基硅烷、3
‑
(2,3
‑
环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、N
‑
[3
‑
(三乙氧硅基)丙基]
‑
4,5
‑
双氢咪唑、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、烯丙基三甲基硅烷、烯丙基三甲氧基硅烷、烯丙基三乙氧基硅烷、3
‑
氯丙基三甲氧基硅烷、3
‑
氯丙基三乙氧基硅烷、γ
‑
(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、γ
‑
(甲基丙烯酰氧)丙基三乙氧基...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑永超，赵玉娟，陆桂林，
申请(专利权)人：山东正熵能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：