[发明专利]一种用于高温燃料电池的复合质子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合质子交换膜及其制备方法，具体地说是一种用于高温燃料电池用含甲基纤维素醚的复合质子交换膜及制备方法，属于燃料电池领域。

背景技术

燃料电池具有能量转换效率高(40～60％)，环境友好，洁净，无污染，无噪音等突出的优点，被认为是21世纪首选的洁净、高效的能源。质子交换膜燃料电池(PEMFC)被称为第五代燃料电池，它除了具备一般燃料电池的优点之处，还具有可室温快速启动，无电解液流失，水易排出，寿命长，比功率与比能量高等突出特点。质子交换膜是PEMFC的关键材料之一，质子交换膜的性能直接关系到整个燃料电池的整体性能。目前国际上通用的质子交换膜是全氟磺酸型质子交换膜，其中最具代表性的是美国杜邦公司生产的Nafion系列全氟磺酸型质子交换膜，但是这种膜存在缺陷并且价格昂贵，其玻璃化转变温度是125℃，因此它的电池最佳操作温度一般在80℃左右，在接近125℃，膜几乎不能使用。而电池温度的提高意义重大，一是可以提高燃料在催化剂表面发生化学反应的速度从而提高电池效率，二是可以减少催化剂的中毒，三是也使得电堆的水热管理都更为容易。

在质子交换膜中掺入无机颗粒SiO₂，TiO₂，ZrO₂等已被证明具有较好的保湿性能，并使得质子交换膜能够在较高温度下使用。但是在质子交换膜中掺入这些物件颗粒，极易发生无机颗粒沉降、造成制备的复合膜均一性不好。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足之处，提供一种成本较低、均一性好、吸水率高，尺寸稳定性好的用于高温燃料电池的复合质子交换膜。

本发明的另一目的在于提供一种工艺简单的上述复合质子交换膜的制备方法。

本发明通过如下技术方案实现以上目的。

一种用于高温燃料电池的复合质子交换膜，由以下重量百分比的组分制成：聚酚芴醚酮85～91％，纳米无机颗粒1～15％，甲基纤维素醚(HPMC)0.1～0.5％。

所述聚酚芴醚酮(SPFEK)的分子结构式如式I：

式I中0.6和0.4的含义为磺化4，4’-二氟苯甲酮和4，4’-二氟苯甲酮所在的重复单元摩尔比为0.6：0.4。

所述的纳米无机颗粒是纳米SiO₂或纳米TiO₂或纳米ZrO₂。

上述用于高温燃料电池的复合质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚酚芴醚酮溶于溶剂中制成溶胶，在其中加入无机纳米颗粒和甲基纤维素醚，充分分散；

(2)将上述溶胶倾倒于玻璃板上，于80℃的温度下静置成膜，冷却至室温，脱膜；

(3)用稀硫酸酸化磺化聚合物膜，即得到复合质子交换膜。

所述溶剂是二甲基亚砜或N，N-二甲基乙酰胺。

所述的甲基纤维素醚既是保水剂又是分散剂。

所述的充分分散可通过先用磁力搅拌器进行预搅拌，再用超声波分散10～30分钟来实现。

本发明提供的上述复合质子膜的制备方法采用甲基纤维素醚(HPMC)作为分散剂，HPMC是白色粉末或白色疏松纤维状，甲氧基值26％，羟丙基值7％，粘度(22℃，2％)46mPa·s，凝胶温度(0.2％)62℃，溶于水和一般的溶剂，对碱和酸稳定，在pH值2～12范围内不受影响。上述制备方法通过简单的物理分散方法，在聚酚芴醚酮(SPFEK)质子交换膜中掺入无机纳米颗粒，甲基纤维素醚不仅是一种高效分散剂，而且具有高效的保水性能，另外甲基纤维素醚在强酸性中性质稳定，并有良好的尺寸稳定性，因此使用甲基纤维素醚作为分散剂在聚酚芴醚酮SPFEK质子交换膜中掺入纳米SiO₂或TiO₂或ZrO₂，不但能快速制备相分散均匀的复合质子交换膜，并且能够大大提高其保水性能，提高质子交换膜用作PEMFC膜电极在高温(≥80℃)低湿(RH≤70％)下的放电性能。

与现有技术相比，本发明克服了现有技术中的不足，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的复合质子交换膜中含有SiO₂或TiO₂或ZrO₂和甲基纤维素醚具有很好的吸水性能，能够在高温低湿时保证复合膜具有良好的导电性能，从而提高单一质子交换膜的使用温度范围和湿度范围，使得复合质子交换膜吸水率高，尺寸稳定性好，能用于高温(≥80℃)低湿(RH≤70％)燃料电池；