[发明专利]一种减缓质子交换膜电化学降解的方法

说明书

本发明涉及一种减缓质子交换膜电化学降解方法，该方法通过在质子交换膜中添加自由基淬灭剂，制备有机/无机复合型质子交换膜，在保证质子交换膜高电导率的前提下，提升了膜的电化学稳定性，这种复合膜在燃料电池及聚合物电解质水电解池中均表现出较好的稳定性。

技术领域

本发明属于离子交换树脂技术领域，尤其涉及到一种减缓质子交换膜电化学降解的方法。

背景技术

质子交换膜(PEM)作为一种具有较高离子电导率和化学稳定性的功能性高分子，目前已广泛应用于能源存储及转化领域。其中，燃料电池和聚合物电解质(SPE)水电解池是质子交换膜成功用于新能源领域的典型代表。燃料电池由于其能量转化效率高、比功率高、环境友好等优点，在车载动力电源以及移动式电源方面具有广阔的应用前景；而SPE水电解制氢技术，相比于传统的化石燃料制氢，具有操作条件温和、快速响应以及性能稳定等优点，成为目前引人注目的制氢技术。作为这些清洁能源技术的关键材料——质子交换膜，除了要具有较高的离子电导率外，电化学稳定性也是必须要考虑的因素。因为质子交换膜的稳定性直接决定着燃料电池及SPE水电解池长期运行的寿命。

在研究中，质子交换膜的降解主要包括机械降解、热降解以及化学降解，其中化学降解是长期运行中质子交换膜的主要降解方式。对于PEM的化学降解，在燃料电池操作中，反应气体的渗透，催化剂铂的溶解与再沉积，过渡金属离子杂质以及自由基的生成等许多因素都会造成膜的化学降解；而在水电解条件下，常常伴随H₂O₂的产生，当过渡金属离子与H₂O₂共存时，H₂O₂易分解HO·&HOO·等自由基，进攻质子交换膜。目前普遍认为化学降解主要是自由基(HO·&HOO·)攻击聚合物膜的主链或侧链所致。因此，提高质子交换膜的化学稳定性成为一个十分重要的课题。

为减缓质子交换膜的衰减，提升其化学稳定性，主要有两种手段：(1)在源头上抑制自由基的产生；(2)及时淬灭产生的自由基。Curtin等人(Journal of Power Sources,2004.131.41)通过对PEM进行处理减少PEM中含H端基的含量，进而改善PEM的稳定性；中国科学院大连化学物理研究所的肖等人(中国专利：CN 102479956)通过对质子交换膜的微观形貌进行修饰，很好地提高了膜的化学稳定性。上述方法主要集中在抑制自由基产生，而未对产生的自由基进行淬灭。通过向质子交换膜中，直接加入自由基淬灭剂提升PEM的化学稳定性是一种简单易行，且十分有效的方法。

本发明选择在质子交换膜中添加自由基淬灭剂，制备有机/无机复合膜，进而提升PEM的电化学稳定性，使其更好地应用于燃料电池以及SPE水电解池。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减缓质子交换膜电化学降解的方法。

本发明的技术方案如下：

一种减缓质子交换膜电化学降解方法，主要是通过向质子交换膜中添加自由基淬灭剂，制备有机/无机复合型质子交换膜，其具体操作步骤如下：

(1)将含有磺酸基的离子交换树脂溶解在溶剂中，配制树脂溶液；

(2)将自由基淬灭剂的纳米颗粒加入的树脂溶液中，超声分散均匀；

(3)将加入自由基淬灭剂的树脂溶液浇铸到水平玻璃板上，于干燥箱中挥发溶剂成膜。

(4)或者在质子交换膜的两侧表面分别制备一层自由基淬灭剂的纳米粒子层；

(5)再在(4)中的纳米粒子层上在喷涂一层磺酸基的离子交换树脂层，制备层层复合膜。

在质子交换膜中添加的自由基淬灭剂包括二氧化铈、二氧化锰、三氧化二铁中的一种或两种以上；自由基淬灭剂的添加方法为共混，层层复合。