[发明专利]燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法

说明书

本发明提供了一种燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法，该方法工艺简单，使用溶液铸膜法，所制备复合膜的厚度和纳米SiO₂的用量可控，制备的保水型质子交换膜的机械强度好，以高稳定和成本低廉的多孔聚四氟乙烯PTFE为基底膜制备超薄复合膜，保证了超薄膜的机械强度，纳米SiO₂的分散性好，采用不同种类表面活性剂分散纳米SiO₂，可有效提高膜的保水性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法。

背景技术

化石燃料的使用造成大量污染物排放，导致环境污染问题，开发新型清洁能源已引起世界各国政府和企业界的高度重视。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种通过电化学反应将燃料和氧化剂中的化学能直接转变为电能的发电装置，具有高能量转换效率、环境友好等优点。目前燃料电池技术已经进入示范阶段。然而，燃料电池商业化进程中存在着许多的障碍：如基础设施架构、氢制备和存储、成本、可靠性、耐久性、操作灵活性等。燃料电池本身存在着可靠性和耐久性差、成本高等问题。仅仅靠燃料电池现有技术，对推进燃料电池商业化是非常困难的。因此，必须对其关键材料进行重点研究。

质子交换膜是燃料电池的关键材料之一，其性能直接影响PEMFC的电池性能、能量效率和使用寿命.对于目前PEMFC普遍采用的固体聚合物电解质膜，质子在膜中以水合质子的形式从阳极传导到阴极，水在膜中作为质子传导的载体。同一种聚合物膜，膜的含水量越高膜内质子传导速率就越快，膜的电导率越大.因此对PEMFC而言，保持质子交换膜充足的水含量十分重要。

在目前的研究开发中，通常是采用增湿辅助系统对进入电池组的反应气进行增湿处理来保持质子交换膜的水含量，这无疑是增加了燃料电池系统的复杂性、提高了成本和消耗了大量的热能。带外增湿辅助系统的燃料电池在运行过程中易出现水淹现象，同时存在着外环境低温时外增湿用水结冰的难题。因此，探索研究无外增湿即自增湿辅助系统的自增湿燃料电池，以简化系统的复杂性，提高能量效率，降低成本，推动燃料电池商业化具有重要意义。

当燃料电池在无外增湿条件下运行的时候，阴极侧电化学反应生成水是质子交换膜维持润湿状态唯一的水源.质子交换膜内有两种方式传递的水分子：在电渗作用下随质子从阳极向阴极迁移的电迁移水和阴极侧电化学反应生成水在浓度梯度作用下从阴极扩散到阳极的反扩散水.当反扩散水不能及时补充由于电渗作用从阳极迁移到阴极侧的电迁移水的时候，膜的阳极侧则处于干涸的状态从而造成质子电导率的大幅度下降.针对自增湿质子交换膜的研究主要集中在两个思路(I)利用膜的微量反应气渗透特性，使相互渗透的氢、氧在铂催化剂上发生化学反应生成水加之阴极侧电化学反应生成水共同润湿膜；(II)利用电池生成水，通过采用薄膜或者掺杂保水物质来加强膜内水的反扩散作用和增加膜的水含量。

在美国专利US patent 5,318,863和US patent 5,242,764中提到了在电极上喷涂成型质子交换膜的方法，两侧电极分别喷涂一定厚度的Nafion溶液，然后热压成MEA。由于这种方法做出来的质子交换膜很薄，电池对气体的增湿要求不高。但是存在着透气量大和使用寿命低的问题。

在中国专利CN1224119C中，提到的了一种制备保水型复合质子交换膜的方法，该保水型质子交换膜的技术特征是：在市售全氟磺酸膜的基体上，制备具有保水功能的涂层复合层，这种具有保水功能的涂层复合层的制备方法是，先将无机物或其氧化物粉末加入到全氟磺酸膜溶液中，再涂覆到基膜的一侧或两侧。这种方法制备成的保水型质子交换膜具有一定的保水性能，但是受制于基膜，无法持续改进基膜。