本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種全氟磺酸質(zhì)子交換膜的制備方法。
背景技術(shù)：
：質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)作為新一代發(fā)電技術(shù)，具有工作溫度低、啟動(dòng)快、比功率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為電動(dòng)汽車、固定發(fā)電站等的首選能源。質(zhì)子交換膜(ProtonExchangeMembrane，PEM)是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件，對(duì)電池性能起著關(guān)鍵作用。它不僅具有阻隔作用，還具有傳導(dǎo)質(zhì)子的作用。質(zhì)子交換膜中，全氟磺酸質(zhì)子交換膜被廣泛地應(yīng)用。目前，全氟磺酸質(zhì)子交換膜的成型工藝主要有：擠出成型、溶液成型和復(fù)合成型；擠出成型工藝可分為熔融擠出成型和凝膠擠出成型，熔融擠出成型又分為熔融擠出流延成型和熔融擠出壓延成型。所有上述制膜工藝存在的最大問(wèn)題是工藝周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、成膜的成本高。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是解決上述問(wèn)題，提供一種生產(chǎn)周期短、工藝簡(jiǎn)單、膜厚可控的全氟磺酸質(zhì)子交換膜的制備方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種全氟磺酸質(zhì)子交換膜的制備方法，包括以下步驟：S1：按(0.025～0.5)g：(10～20)ml：(5～10)ml的比例稱取全氟磺酸樹(shù)脂、溶劑以及N-甲基吡咯胺酮；S2：在溶劑中加入N-甲基吡咯胺酮，攪拌至均勻制得混合溶劑；S3：向步驟S2制得的混合溶劑中加入稱量的全氟磺酸樹(shù)脂，繼續(xù)攪拌至顆粒分散均勻，制得穩(wěn)定的懸浮液；S4：將兩片電極極片插入到步驟S3制得的懸浮液中，經(jīng)電泳，得到全氟磺酸質(zhì)子交換膜。上述制備方法中，步驟S1中的溶劑包括乙醇、異丙醇、丙酮中的至少一種，本發(fā)明以乙醇為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)說(shuō)明。上述制備方法中，步驟S2中，先在溶劑中按比例加入N-甲基吡咯胺酮配制混合溶劑是本技術(shù)的一個(gè)核心所在，該混合溶液可以使樹(shù)脂顆粒均勻的懸浮在其中并利于電泳膜的獲得。N-甲基吡咯胺酮不僅是穩(wěn)定的有機(jī)溶劑，還在電泳過(guò)程中起到分散劑的作用，使樹(shù)脂顆粒均勻的分散在溶劑中。上述制備方法中，步驟S2中，攪拌時(shí)間并無(wú)任何限制，N-甲基吡咯胺酮和乙醇混合均勻即可。步驟S3中，攪拌的目的是為了在常溫常壓下，使全氟磺酸樹(shù)脂完全溶解于混合溶劑中，制得穩(wěn)定的懸浮液，便于在正極極片成膜，攪拌時(shí)間可以采用常規(guī)。攪拌的最佳時(shí)間根據(jù)懸浮體系與攪拌量而定，攪拌至顆粒分散均勻，得到穩(wěn)定的懸浮液即可。本發(fā)明中，設(shè)置的攪拌時(shí)間為2～4h。上述制備方法中，步驟S4中電極極片為電泳操作中常用的電極極片，極片材料可以選用但不限于導(dǎo)電玻璃、銅片、鋁片、Si/SiO2/Ti/Pt、石墨片中的一種?？赏ㄟ^(guò)改變正極極片的形狀控制制備的全氟磺酸質(zhì)子交換膜的形狀。從成膜效果考慮，在本發(fā)明中，優(yōu)選采用石墨片作為負(fù)極極片、導(dǎo)電玻璃作為正極極片。此外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，還對(duì)金屬電極片進(jìn)行乙醇超聲清洗3～5min，去離子水超聲清洗1min左右，以便于更好成膜。上述制備方法中，步驟S4電泳操作中的施加條件、維持時(shí)間以及電極間距可以采用常規(guī)，其目的是在正極極片上生成全氟磺酸質(zhì)子交換膜；施加的電壓可以直流電壓也可以是脈沖電壓。施加電壓的大小和施加方式主要影響膜的厚度、成膜速度以及膜的致密性。根據(jù)發(fā)明人研究，從成膜的效果角度考慮，施加電壓優(yōu)選為20-70V，電泳時(shí)間可以根據(jù)施加電壓和最終設(shè)定的全氟磺酸質(zhì)子交換膜的厚度來(lái)確定。本發(fā)明中，設(shè)定的電極間距為3～10mm，電泳時(shí)間為300～600s。在電泳操作完成后，將正極極片取下，自然風(fēng)干或烘干得到全氟磺酸質(zhì)子交換膜。進(jìn)一步的，本發(fā)明中，設(shè)定的烘干溫度為80℃，烘干時(shí)間為3～5min，從烘箱中取出正極極片放入去離子水中靜置1～3min后取出，用鑷子將薄膜從電極片上揭下來(lái)即可。值得說(shuō)明的是，本發(fā)明所采用的全氟磺酸樹(shù)脂、乙醇以及粘合劑，均沒(méi)有任何特殊的要求，可通過(guò)市場(chǎng)購(gòu)買獲得。本發(fā)明提供的全氟磺酸質(zhì)子交換膜的制備方法具有以下有益效果是：1、首先通過(guò)本發(fā)明提供的方法能夠獲得適用于電泳操作的懸浮液，基于該懸浮液，可以通過(guò)電泳方法獲得全氟磺酸質(zhì)子交換膜，這是首次通過(guò)電泳方法獲得全氟磺酸質(zhì)子交換膜；2、制備工藝簡(jiǎn)單，易于操作，制備時(shí)間短、效率高、成本低，適于工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用；3、制備得到的全氟磺酸質(zhì)子交換膜，經(jīng)阻抗測(cè)試，電導(dǎo)率為(1～5)×10-2S/cm，滿足質(zhì)子交換膜燃料電池的使用要求；4、本發(fā)明提供的方法，一次成膜，全氟磺酸質(zhì)子交換膜的厚度、面積均可控，薄膜成分與樹(shù)脂顆粒成分幾乎完全一致。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明全氟磺酸質(zhì)子交換膜與全氟磺酸樹(shù)脂顆粒的紅外光譜圖。具體實(shí)施方式為了更好的了解本發(fā)明的目的和意義，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明：實(shí)施例1S1：稱取全氟磺酸樹(shù)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，攪拌0.1h至均勻制得混合溶劑；S3：向步驟S2制得的混合溶劑中加入稱量的全氟磺酸樹(shù)脂，攪拌時(shí)間3h，至顆粒分散均勻，制得穩(wěn)定的懸浮液；S4：以石墨片為負(fù)極極片，以導(dǎo)電玻璃為正極極片，將兩片電極極片插入到步驟S3制得的懸浮液中，施加50V直流電壓，電極間距5mm，電泳300s，得到全氟磺酸質(zhì)子交換膜。進(jìn)一步的，本實(shí)施例中所述步驟S4，在同樣的工藝條件和參數(shù)下，正極極片還使用分別采用了銅片、鋁片、白金片進(jìn)行電泳。實(shí)施例2S1：稱取全氟磺酸樹(shù)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，攪拌0.1h至均勻制得混合溶劑；S3：向步驟S2制得的混合溶劑中加入稱量的全氟磺酸樹(shù)脂，攪拌時(shí)間2.5h，至顆粒分散均勻，制得穩(wěn)定的懸浮液；S4：以石墨片為負(fù)極極片，以導(dǎo)電玻璃為正極極片，將兩片電極極片插入到步驟S3制得的懸浮液中，施加50V直流電壓，電極間距5mm，電泳300s，得到全氟磺酸質(zhì)子交換膜。實(shí)施例3S1：稱取全氟磺酸樹(shù)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，攪拌0.1h至均勻制得混合溶劑；S3：向步驟S2制得的混合溶劑中加入稱量的全氟磺酸樹(shù)脂，攪拌時(shí)間2h，至顆粒分散均勻，制得穩(wěn)定的懸浮液；S4：以石墨片為負(fù)極極片，以導(dǎo)電玻璃為正極極片，將兩片電極極片插入到步驟S3制得的懸浮液中，施加50V直流電壓，電極間距5mm，電泳300s，得到全氟磺酸質(zhì)子交換膜。實(shí)施例4S1：稱取全氟磺酸樹(shù)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，攪拌0.1h至均勻制得混合溶劑；S3：向步驟S2制得的混合溶劑中加入稱量的全氟磺酸樹(shù)脂，攪拌時(shí)間2h，至顆粒分散均勻，制得穩(wěn)定的懸浮液；S4：以石墨片為負(fù)極極片，以導(dǎo)電玻璃為正極極片，將兩片電極極片插入到步驟S3制得的懸浮液中，施加50V直流電壓，電極間距5mm，電泳300s，得到全氟磺酸質(zhì)子交換膜。實(shí)施例5S1：稱取全氟磺酸樹(shù)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，攪拌0.1h至均勻制得混合溶劑；S3：向步驟S2制得的混合溶劑中加入稱量的全氟磺酸樹(shù)脂，攪拌時(shí)間4h，至顆粒分散均勻，制得穩(wěn)定的懸浮液；S4：以石墨片為負(fù)極極片，以導(dǎo)電玻璃為正極極片，將兩片電極極片插入到步驟S3制得的懸浮液中，施加50V直流電壓，電極間距5mm，電泳300s，得到全氟磺酸質(zhì)子交換膜。對(duì)實(shí)施例1制備的全氟磺酸質(zhì)子交換膜進(jìn)行阻抗測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示：表1：全氟磺酸質(zhì)子交換膜阻抗測(cè)試正極材料膜厚/mm外貌電導(dǎo)率鋁0.233較粗糙1.8×10-2S/cm銅0.077較光滑1.5×10-2S/cm白金0.061較光滑2.5×10-2S/cm導(dǎo)電玻璃0.014最光滑2.1×10-2S/cm由表1可看出，本發(fā)明制備的全氟磺酸質(zhì)子交換膜，電導(dǎo)率為(1～5)×10-2S/cm，滿足質(zhì)子交換膜燃料電池的使用要求。以實(shí)施例1制備的全氟磺酸質(zhì)子交換膜與全氟磺酸樹(shù)脂顆粒進(jìn)行紅外測(cè)試，可看出薄膜的成分與顆粒成分幾乎完全一致。對(duì)實(shí)施例2～5制備的全氟磺酸質(zhì)子交換膜進(jìn)行阻抗測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示：表2：全氟磺酸質(zhì)子交換膜阻抗測(cè)試實(shí)施例膜厚/mm外貌電導(dǎo)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，本發(fā)明中由相同電極不同配方制備的全氟磺酸質(zhì)子交換膜，電導(dǎo)率為(1～5)×10-2S/cm，均可滿足質(zhì)子交換膜燃料電池的使用要求。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3