[发明专利]一种复合有机硅氧烷磷酸酯燃料电池电解质膜及制备方法

说明书

本发明提供一种复合有机硅氧烷磷酸酯燃料电池电解质膜及制备方法，将有机硅烷与磷酸酯均匀混合后，加入浓硝酸进行缩合反应，充分反应后过滤烘干得到凝胶状材料，将凝胶材料均匀涂覆在多孔陶瓷膜表面，压制后放入真空干燥炉在120℃条件下进行反复正压干燥使薄膜致密，获得陶瓷复合硅氧烷磷酸酯电解质膜。本发明克服了传统质子交换膜燃料电池由于有机聚合物膜材的限制，工作温区较窄，从而影响质子电导率和催化剂的催化性能和寿命的缺陷，制备的电解质膜质子迁移率达到10^‑2S/cm级，醇类阻隔率好，工作温度较高，可提高至约240℃，解决了传统质子交换膜工作温区较窄的问题，可以作为膜材料广泛应用于燃料电池领域中。

技术领域

本发明涉及燃料电池材料领域，具体涉及一种复合有机硅氧烷磷酸酯燃料电池电解质膜及制备方法。

背景技术

由于对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重，寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。燃料电池(Fuel cell)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，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质，对环境没有污染以及具有高的能量效率和高的功率密度，因此，燃料电池具有广阔的应用前景。

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC))是继碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)而发展起来的第五代燃料电池，采用高分子膜作为固态电解质，具有能量转换率高、低温启动、无电解质泄露等特点，被广泛用于轻型汽车、便携式电源以及小型驱动装置。PEMFC主要由端板、双极板和膜电极等部件构成。膜电极是 PEMFC 的核心部件，主要由气体扩散层、催化层和质子交换膜构成。质子交换膜( PEM) 是质子交换膜燃料电池的关键部件, 直接影响电池性能和寿命。

质子交换膜燃料电池质子交换膜主要有氟磺酸型质子交换膜、非氟聚合物质子交换膜等类型。氟磺酸型质子交换膜是美国杜邦公司的Nafion^@膜，在150℃的强酸和氧化环境中仍能保持良好的稳定性，高的机械强度及在高湿度下高的导电率，但Nafion^@类膜仍存在质子导电率严重依赖于膜中含水量, 低湿度时膜的导电率下降明显；工作温度超过水的沸点很容易脱水而使其失去质子导电性能，无法用于中温 (100～200℃) 燃料电池；高温时膜易发生化学降解, 产生毒性；单体合成困难, 成本高, 废品难处理；用于甲醇燃料电池时易发生甲醇渗漏等缺点。针对全氟磺酸型质子交换膜价格昂贵，由于有机聚合物膜材的限制，工作温区较窄，从而影响质子电导率和催化剂的催化性能和寿命等缺点，人们开发出非氟化质子交换膜，将聚苯撑氧、芳香聚酯、聚苯并咪唑、聚酰亚胺、聚砜、聚酮等经过质子化处理用于PEMFC，如离子交联的质子交换聚合物网络型膜，但是也存在酸碱对不匹配时离子间结合力比较弱，导致高温下离子交联的失效，使该体系形成的薄膜尺寸稳定性下降。

为了尽量克服传统质子交换膜燃料电池由于有机聚合物膜材的限制，工作温区较窄，从而影响质子电导率和催化剂的催化性能和寿命，以及阻醇性能差等缺点，通过制备新型复合膜也有相关研究。

中国发明专利申请号201310129877.6公开了一种质子交换膜及其制备方法，以聚对苯撑苯并二噁唑与多聚磷酸共混膜PBO/PPA混合浆液压制作出在高温如150-200℃具有优良高温质子传导率、成膜与力学性能的、适用于高温燃料电池的聚对苯撑苯并二噁唑质子交换膜。但是，该方案原料成膜性差，由于组分溶胀系数不同，导致质子交换膜质量降低，并且制备步骤繁琐，时间长。

因此，提出一种在高温工作条件下结构稳定的燃料电池质子交换膜，克服传统氟磺酸型质子交换膜工作温区较窄，从而影响质子电导率和催化剂的催化性能和寿命的缺陷，对于质子交换膜温区的扩展研究具有十分重要的实际意义。

发明内容