[发明专利]一种耐热型燃料电池质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种耐热型燃料电池质子交换膜及其制备方法。所述质子交换膜由以下步骤制得：a、将聚合物单体、不溶性无机盐、助剂加入有机溶剂中，加热反应，得到改性有机物‑金属离子配体的溶液；b、离心分离，洗涤后加入磷酸，加热将溶剂蒸发，获得磷酸掺杂的改性有机相负载无机盐的胶状固体材料；c、压制成型后处理，即得耐热型燃料电池质子交换膜。所述方法具有以下有益效果：本发明通过将磷酰基固定在膜材内部，有效解决了薄膜在高温下的磷酸流失导致的电导率下降的问题，使薄膜可以在高于100℃的环境下正常工作，提高了薄膜的高温耐受性和使用耐久性，并且制备简单，易于推广。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及质子交换膜的制备，尤其是涉及一种耐热型燃料电池质子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池自1966年开始使用杜邦公司的nafion全氟磺酸质子交换膜以来，各项技术逐渐趋于成熟。Nafion膜的化学稳定性非常好，为长寿命、高功率密度的燃料电池提供了有力的支撑。但仍然存在很多缺点。其一是价格昂贵，原料的磺化与氟化工艺非常复杂，导致其产品价格居高不下，在电池行业的竞争中缺乏竞争力；其二是膜材的使用环境相对苛刻，需要在100℃以下和适宜的湿度范围进行工作，一旦温度过高和水分含量过大，会导致膜材的质子电导率明显降低并发生降解；其三是对于非氢燃料具有较高的渗透率，限制了膜材的适用范围。

目前，对于膜材的改进其中一个主要方向是在高于100℃的温度区间进行工作。在相对高温的温区区间工作具有如下优势：一、提高铂催化剂对于CO中毒的抗性；二、降低电极极化和内阻；三、电池内部水系统的排放和管理更加容易，可以大幅降低气体扩散层和电极的水淹现象；四、改善电池内部的热管理系统，电池产生的热量更容易回收再利用。在高温环境下，改性质子交换膜如磷酸掺杂有机聚合物薄膜中随着磷酸的流失降低薄膜的电导率，同时加剧薄膜的极化，严重影响薄膜的使用寿命。因此，针对质子交换膜的高温耐受性，特别是对薄膜中水分和磷酸的保存和控制的改进具有十分重要的实际意义。

专利申请号201510288500.4公开了一种水解稳定的磷酸基硅氧烷高温质子交换膜及其制备方法。通过如下方法制备得到：首先将磷酰基乙酸与草酰氯进行酰化反应得到磷酰基酰氯；然后将磷酰基酰氯与氨基硅氧烷发生酰胺化反应得到磷酸基硅氧烷，最后将磷酸基硅氧烷和四乙氧基硅烷共同水解交联并通过溶胶-凝胶工艺制备成膜。

专利申请号200510047426.3公开了一种高温质子交换膜燃料电池用酸浸质子交换膜及其制备方法，所述复合质子交换膜是指采用磷酸和/或杂多酸浸入的季铵化的耐热高分子聚合物膜，磷酸和/或杂多酸与季铵化的耐热高分子聚合物膜的重量比为0.5~6：1；此发明所制备的质子交换膜的使用温度为0~200℃，具有使用温度范围广，导质子能力强，同时具有很好的阻醇性。

专利申请号201710578241.8公开了一种耐高温的氨基化氧化石墨烯/磺化聚苯并咪唑质子交换复合膜的制备方法。在氮气保护下将四胺单体、含有-O-柔性基团非磺化二酸单体、磺化二酸单体与氨基化氧化石墨烯原位聚合，制备氨基化氧化石墨烯/磺化聚苯并咪唑质子交换复合膜。

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。

由此可见，现有技术中用于燃料电池的质子交换膜，高温耐受性差，在高温下磷酸易流失而导致电导率较低，薄膜极化严重，影响了质子交换膜的使用寿命。

发明内容

为有效解决上述技术问题，本发明提出了一种耐热型燃料电池质子交换膜及其制备方法，可有效解决了薄膜在高温下的磷酸流失导致的电导率下降的问题，提高了膜的高温耐受性。

本发明的具体技术方案如下：

一种耐热型燃料电池质子交换膜的制备方法，所述质子交换膜的具体的制备步骤为：