[发明专利]一种燃料电池质子交换膜材料及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池质子交换膜材料领域，具体涉及一种燃料电池质子交换膜材料及其应用。

背景技术

质子交换膜是一种致密的质子选择透过的功能高分子膜, 是质子交换膜燃料电池(PEMFC) 中的关键部件之一 , 起着分隔燃料和氧化剂 , 防止它们直接发生反应作用；同时起着传导质子对电子绝缘的作用, 其性能的优劣直接影响电池的性能、能量转化效率和使用寿命。现在广泛采用的是全氟磺酸型质子交换膜，最有代表性的是美国DuPont 公司的Nafion 膜，虽然其具有高化学稳定性和高质子传导率的优点，但同时也有自身无法克服的缺点，如:1) 需要很高的水含量才能有足够的导质子能力，但是由于其吸水能力有限，需要连续对膜进行增湿，增加了燃料电池系统设计的复杂性；2) 由于脱水，很难在高于100℃以上操作，这限制了电池性能进一步提高和余热的充分利用；3) 用于直接甲醇燃料电池时，甲醇渗透率过高；4) 价格昂贵，且含有氟元素，降解时产生有害的物质，严重污染环境。然而针对全氟磺酸型质子交换膜存在的问题，在现有的全氟磺酸膜基础上进行改进，却并不能解决其存在的缺陷，如膜的电性能仍然依赖全氟磺酸树脂的含量，工作温度也很难有较大提高，以及含氟材料的使用对环境的严重污染依然存在。因此，开发高性能、低成本、环境友好的新型非氟质子交换膜材料对燃料电池的发展具有重要意义，也是推动新能源汽车发展的有力措施之一。

中国专利公开号CN101237054A 公开了一种掺杂交联增强全氟质子交换膜及其制备方法，该发明是以全氟磺酸树脂作为成膜树脂，加入无机物，在一定条件下进行交联反应，形成具有网络结构的增强复合离子交换膜。该发明制备的全氟磺酸膜具较高的质子导电率和较高的机械性能。

中国专利公开号CN103490081A 公开了改性全氟磺酸质子交换膜、其制备方法和直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法。该发明是以磷酸溶解的聚苯并咪唑修饰全氟磺酸质子交换膜，缩小亲水性物质的传输空间，能减少甲醇溶液透过，使其工作温度可达90℃。

中国专利公开号CN101733010A 公开了一种掺杂双交联增强全氟质子交换膜及其制备方法，该发明是以全氟磺酸树脂作为成膜树脂，加入辅助质子传导物质，在一定条件下与交联剂进行交联反应形成酰胺基交联结构，同时加入高价金属化合物与酰胺基交联结构的酸性基团形成物理键合网络结构。该膜通过使用两种交联网络结构，达到提高膜的机械力学性质和稳定性及气密性等性能，工作温度为80℃。

中国专利公开号CN101887979A 公开了一具高质子传导率的质子交换膜，该质子交换膜包含至少一具传导质子能力的有机高分子基材，以及一具高支化结构的高分子，两种型态的高分子均匀混和，其中该高支化高分子占质子交换膜整体的固含量不小于5%。该质子交换膜的高温电导度可达到0.1S/cm@100℃ /100%RH，而常温也高于0.03S/cm@25℃。

中国专利公开号CN103715438A 公开了一种用于高温无水条件质子交换膜燃料电池的纳米复合质子交换膜及其制备方法和应用。该纳米复合质子交换膜为磺化聚醚醚酮和聚多巴胺修饰的氧化石墨烯纳米复合质子交换膜。该纳米复合质子交换膜表现出比纯高分子膜更高的以及更优良的电池性能，尤其适合在高温无水条件下使用。

根据上述，目前对全氟质子交换膜进行了诸多改进，却并不能解决如膜的电性能仍然依赖全氟磺酸树脂的含量，工作温度也很难有较大提高，以及含氟材料的使用对环境的严重污染的缺陷，并且，在低温工作条件下，还没有综合性能优于全氟磺酸膜的非氟聚合物材料，因此，开发高性能、低成本、环境友好的新型非氟质子交换膜材料符合燃料电池质子交换膜材料的市场需求。

发明内容

针对目前全氟质子交换膜存在电性能仍然依赖全氟磺酸树脂的含量，工作温度也很难有较大提高，以及含氟材料的使用对环境的严重污染的缺陷，本发明提出了一种燃料电池质子交换膜材料及其应用，为实现上述目的，本发明将磺化聚碳酸酯作为基体材料用于燃料电池的质子交换膜的制备，磺化聚碳酸酯具有高质子电导性、张力强度、热稳定性和低甲醇吸收，适用作质子交换膜；磺化聚碳酸酯用于制备燃料电池燃料电池质子交换膜，使质子交换膜具有工作温度高，成本低廉，环保，低醇透性，高质子电导性的优点，适合燃料电池的工业化生产和市场推广应用。