[发明专利]一种基于磷酸二氢钾的中温燃料电池电解质膜及制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种基于磷酸二氢钾的中温燃料电池电解质膜及制备方法。包括如下制备过程：（1）将耐酸性铁电陶瓷粉末加入硅酸乙醇水解液中，在搅拌器中充分混合，得到陶瓷浆体，再加入造孔剂及助凝剂，混合均匀后，在压延机中进行压制成膜，制得陶瓷膜；（2）在陶瓷膜的表层种入磷酸二氢钾籽晶，使用冷烧工艺使陶瓷膜快速成型为多孔陶瓷膜；（3）将多孔陶瓷膜置入含有磷酸的水溶液中，加入金属盐并调节PH值，制得陶瓷/电解质复合薄膜，即中温燃料电池电解质膜。本发明制得的燃料电池电解质膜与传统电解质膜相比，在中温段电导率高，效能好，并且耐久性好，使用寿命长，整个制备过程较为简单，适合推广生产应用。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种基于磷酸二氢钾的中温燃料电池电解质膜及制备方法。

背景技术

世界范围内的能源短缺问题越来越严重，且使用过程中造成的环境污染严重，并且绝大多数能量的转化是热机过程实现的，转化效率低。因此，寻求环保型的再生能源，同时提高能源的转换效率和寻求清洁新能源的研究获得越来越广泛的。燃料电池是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能，不受地域以及地理条件的限制，在不同的领域已得到了广泛的应用。

燃料电池本质上是水电解的一个逆装置，主要由阳极、阴极和电解质3部分组成，电解质决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。燃料电池按电解质的不同可分为五类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池，其中质子交换膜燃料电池因其具有工作温度低、启动速度快、模块式安装和操作方便等优点，作为新一代能源技术被广泛应用。

质子交换膜燃料电池的核心部件是质子交换膜，其主要是分隔阳极和阴极、传导质子并阻止电子在膜内传导。目前人们开发应用的质子交换膜分为三大类：磺化聚合物膜，复合膜，无机酸掺杂膜，应用较多的主要是磺化聚合物电解质。但由于有机聚合物膜材本身的限制，工作温区较窄，低湿度或高温条件下的电导率低，而由于无机材料具有良好的耐溶剂耐高温性，采用有机无机复合的改性方法是质子交换膜研究和发展的重要途径之一。

中国发明专利申请号201610248056.8公开了一种用于燃料电池的层状复合质子交换膜的制备方法，是以质子聚合物溶液和质子聚合物溶液与二维无机纳米材料混合液交替成膜后得到的层状复合质子交换膜。此层状结构复合膜经过磷酸浸泡后溶胀率大幅度降低，机械性能大幅度提高，有利于中温质子膜燃料电池中膜电极组装，同时电导率进一步提高。

中国发明专利申请号201710326667.4公开了一种中温质子交换膜及其制备方法；中温质子交换膜包括耐热聚合物基体和含氧酸盐，含氧酸盐装载于耐热聚合物基体中。制备的中温质子交换膜不仅具有高的质子电导率、良好的热稳定性，而且具有出色的机械性能。其适宜于工作在100~400℃温区，运行温度低于熔融碳酸盐电解质，由此能够采用高机械强度的柔性聚合物作为支撑基体，装载熔融态含氧酸盐。此发明公开的熔融质子导体电解质膜，制备工艺简便，适合工业化生产；同时其廉价的原材料有助于降低电解质膜以及燃料电池的成本，有望在中温燃料电池领域、以及相关需要中温质子传导电解质膜的领域得到广泛应用。

根据上述，现有方案中传统质子交换膜燃料电池的电解质膜由于有机聚合物膜材的限制，工作温区较窄，从而影响了质子电导率和催化剂的催化性能，同时机械性能较差，耐久性差，寿命较短，并且现有的中温燃料电池电解质制备技术复杂而效果较差，鉴于此，本发明提出了一种基于磷酸二氢钾的中温燃料电池电解质膜及制备方法，可有效解决上述技术问题。

发明内容

目前应用较广的质子交换膜燃料电池的有机聚合物电解质膜存在工作温区窄，电导率低，并且机械性能和耐久性差，使用寿命短，为此，本发明提出一种基于磷酸二氢钾的中温燃料电池电解质膜及制备方法，从而有效扩展了燃料电池质子交换膜的工作温区，提高了电导率，延长了使用寿命。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：