[发明专利]一种Nafion膜的原位无损改性方法

说明书

本发明公开了一种Nafion膜的原位无损改性方法，包括以下步骤：将Nafion膜进行活化预处理；制备氧化物前驱体溶液；将Nafion膜浸泡在氧化物前驱体溶液中，一定温度下浸泡一段时间；取出Nafion膜，用超纯水冲洗表面残留液，真空干燥，即得到改性的Nafion膜。本发明改性的Nafion膜具有较高的高温低湿电导率、优异的保水能力及良好的机械稳定性、热稳定性和化学稳定性，并且采用本发明制备的Nafion复合膜装配的燃料电池在较低相对湿度条件下仍具有较高的输出功率，且改性方法操作简单方便、容易控制且成本低廉，可广泛应用于PEMFC领域。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池中的Nafion膜领域，尤其涉及一种Nafion膜的原位无损改性方法。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转换成电能的能源转换装置，由于其不经过燃烧，没有机械转动部件，其具有不受卡诺循环限制和能量转换效率高等优点。其中质子交换膜燃料电池除了具有上述优点，还具有能量密度高，环境友好等特点，被认为是最具应用潜力的能源转换装置。

目前，人们普遍认为提高PEMFC(质子交换膜燃料电池)的使用温度(100℃)对于进一步提高其能量转换效率以及实现其实际应用具有重要意义。因为提高电池系统的工作温度不仅可以提高电池反应动力学、降低环境对电池影响还可以提升电池系统对CO、H₂S等有毒气体的耐受能力以及简化电池系统中的水、热管理模块。另一方面，工作温度的提高也对PEMFC中所用质子交换膜材料提出了更高的性能要求。

质子交换膜是PEMFC的核心部件，目前应用最广泛的质子交换膜是Nafion膜，该膜材料在低温(80℃)条件下具有较高的质子电导率以及良好的机械、化学稳定性；但是在高温(100℃)低湿条件下Nafion膜的整体性能将发生明显退化，这主要因为高温时水分蒸发，低含水量直接影响到Nafion膜的质子传输能力，进而对Nafion膜以及PEMFC整体性能产生不良影响。

为实现PEMFC在高温条件下运行，质子交换膜材料应满足如下条件：具有较高的高温低湿电导率、优异的机械稳定性、热稳定性和化学稳定性。为了满足这些性能要求，已有几种新型膜材料被开发出来，但是针对目前使用最广泛以及商业化生产最成熟的Nafion进行改性仍然被认为是最重要的解决途径。目前针对Nafion膜的改性主要有表面修饰、机械有机/无机共混等方法，这些方法能在一定程度上改善膜材料某些方面的性能，但是仍然存在诸如高温低湿质子电导率低、严重相分离、机械和化学稳定差、制备过程复杂以及改性成本高等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种在高温条件下整体提升Nafion膜性能，Nafion膜具有高温质子电导率高，机械、热、化学稳定性好，且制备过程简单，可控，改性成本低，燃料电池性能优良的Nafion膜的原位无损改性方法。

本发明的实施例提供一种Nafion膜的原位无损改性方法，包括以下步骤：

S1.将Nafion膜进行活化预处理；

S2.制备氧化物前驱体溶液；

S3.将经过步骤S1处理的Nafion膜浸泡在步骤S2制备的氧化物前驱体溶液中，一定温度下浸泡一段时间；

S4.取出Nafion膜，用超纯水冲洗表面残留液，真空干燥，即得到改性的Nafion膜。

进一步，所述步骤S1中，Nafion膜进行活化预处理包括以下步骤：

S1.1.将Nafion膜在5％的过氧化氢水溶液中煮沸1h，去除Nafion膜中的有机杂质，超纯水冲洗；

S1.2.在1mol/L硫酸溶液中煮沸1h，去除Nafion膜中无机离子，超纯水冲洗；

S1.3.在超纯水中煮沸1h，干燥后保存备用。