[发明专利]自增湿膜和自增湿燃料电池及其制备方法

说明书

相关申请

本申请要求2011年4月1日提交的美国临时申请61/457,456的优先权，该申请的内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及自增湿质子交换膜燃料电池(PEMFC)。本发明特别涉及限域于具有沸石、类沸石和/或分子筛涂层的多孔基底中的质子导电复合膜的设计、制备和性质研究。

背景技术

全氟磺酸(PFSA，诸如杜邦的Nafion)聚合物膜是在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中应用最广泛的聚合物电解质膜，它在充分加湿的情况下具有极高的质子导电性和优异的长程稳定性(Nafion是杜邦公司的注册商标)。由于PFSA聚合物的玻璃化转变温度较低，在高温下它将失去其机械和尺寸的稳定性，这限制了PEMFC的最高操作温度在80℃左右。低的操作温度带来了一系列问题，诸如燃料中杂质(一氧化碳和硫化氢等)的浓度需要控制在极低水平、复杂的热及水管理系统；同时，在低湿度情况下PFSA聚合物的质子导电性将出现大幅度下降，导致了差的电池性能，因此对于使用PFSA聚合物膜的PEMFC来说，外部加湿装置是必需的，这使得电池系统的设计和操作复杂化，并且降低了总的能量效率。

已经尝试了利用下述方法，使PEMFC在没有加湿的情况下稳定运行：

新的膜结构设计；

能够在低湿度和高温下工作的新型质子导体；

基于PFSA聚合物的自增湿电解质膜，尤其是沸石-Nafion复合膜。

发明内容

本发明利用限域于具有沸石基材料涂层的多孔基底中的质子导电材料作为电解质膜，组装了自增湿燃料电池。制备多孔基底并涂布沸石基材料于其孔壁及表面，从而形成具有沸石基材料涂层的孔。在本文中，术语“沸石基材料”可包括一种或多种沸石、分子筛和类沸石材料。具有沸石基材料涂层的多孔基底中的孔被至少一种质子导电材料所填充，得到自增湿膜的基本结构，然后这种结构被进一步活化。

本发明的内容包括：

1)一种制备用于自增湿燃料电池的自增湿膜的方法，其包括：

制备多孔基底；用选自沸石、分子筛和类沸石中的沸石基材料涂布所述多孔基底，从而形成具有沸石基材料涂层的孔壁及表面；用至少一种质子导电材料填充具有所述沸石基材料涂层的孔，从而形成自增湿膜结构；以及活化所述结构。

2)根据上述第1)项所述的方法，进一步包括：利用质子导电聚合物作为所述质子导电材料来填充具有所述沸石基材料涂层的孔。

3)根据上述第2)项所述的方法，包括：通过利用含有溶剂的聚合物前驱体来施加所述聚合物，所述溶剂包含至少一种选自异丙醇、二甲基亚砜、乙二醇、1，2-丙二醇和丙三醇中的物质。

4)根据上述第1)至3)中任意一项所述的方法，其中所述多孔基底包括具有竖直或弯曲孔道的扁平金属、陶瓷、塑料、碳或玻璃基底材料。

5)根据上述第1)至4)中任意一项所述的方法，其中制备的多孔基底厚度在10至1000微米的范围内。

6)根据上述第1)至4)中任意一项所述的方法，其中制备的多孔基底厚度在50至200微米的范围内。

7)根据上述第1)至6)中任意一项所述的方法，其中所述沸石基材料是LTA、MFI、FAU型沸石、类沸石材料以及包括介孔氧化硅和超大孔分子筛在内的分子筛材料中的至少一种。

8)根据上述第1)至7)中任意一项所述的方法，包括制备厚度在0.1至100微米范围内的沸石基材料涂层。

9)根据上述第1)至8)中任意一项所述的方法，包括利用全氟磺酸聚合物、磺化聚醚酮和磺化壳聚糖作为所述质子导电材料。

10)根据上述第1)至9)中任意一项所述的方法，包括利用亚微米尺寸的沸石基材料颗粒。

11)根据上述第1)至10)中任意一项所述的方法，其中所述活化包括：消除所述质子导电聚合物前驱体和所述沸石、分子筛或类沸石材料多孔结构中的溶剂，使膜具有自增湿性能。

12)一种用于自增湿燃料电池中的自增湿膜，包括具有沸石、类沸石和/或分子筛涂层的多孔基底、以及填充于具有所述涂层的多孔基底中的质子导电材料。该自增湿膜可以通过上述第1)至11)中任意一项所述的方法制备而成。

13)一种制备自增湿燃料电池的方法，包括利用根据上述第1)至11)中任意一项所述的方法制备的自增湿膜作为该燃料电池的自增湿质子导电膜。