[发明专利]一种高温保水型燃料电池质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明属于燃料电池的技术领域，提供了一种高温保水型燃料电池质子交换膜及其制备方法。该方法以改性氧化硅纳米片气凝胶前驱体与全氟磺酸树脂纳米粉末制成分散液，在基底表面涂覆后进行加热及空气吹扫，制得气凝胶包覆全氟磺酸树脂的核壳结构薄膜，即高温保水型燃料电池质子交换膜。与传统方法相比，本发明的制备的质子交换膜，通过气凝胶颗粒的强韧性抑制树脂颗粒的溶胀，提高了膜材的机械性能，并且可以有效控制膜材内部的水分含量，耐高温性好，可有效促进膜材的载流子迁移率和电导率，可广泛用于燃料电池中。

技术领域

本发明属于燃料电池的技术领域，提供了一种高温保水型燃料电池质子交换膜及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种把燃料与氧化剂反应产生的化学能直接转化为电能的理想初级能源转化装置，具有如下优点：其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。

质子交换膜是质子交换膜燃料电池的两种核心材料之一，起阻隔燃料气和氧气或空气、传导质子、附着电催化剂等重要作用，是质子交换膜燃料电池服役行为主要决定因素。理想的质子交换膜材料必须对燃料气和氧气或空气具有良好的阻隔性能，具有较高的质子电导率，优越的机械性能，足够长的使用寿命，合理的价格等。目前，最成熟、使用最广泛的质子交换膜是聚全氟磺酸类质子交换膜。

全氟磺酸类质子交换膜中，最典型的是Nafion膜，其化学稳定性非常好，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：价格昂贵；膜材的使用环境相对苛刻，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溶胀和降解；对于非氢燃料具有较高的渗透率。对于膜材的溶胀的控制，目前的主流解决方法为使用高分子聚合物进行交联或杂多酸进行复合，但效果不理想，因此在高温（＞100℃）下对于膜材水分的控制具有十分重要的实际意义。

目前国内外在燃料电池质子交换膜技术，尤其是耐高温、高吸水及低溶胀质子交换膜方面已取得了一定成效。其中路金林等人发明了一种用于燃料电池的质子交换膜及其制备方法（中国发明专利申请号201510845210.5），该膜具有三明治结构，其中间层为杂多酸注入的具有有序介孔导电通道的多孔膜，在中间层两侧分别是保护层。这种膜的制备方法是：通过表面活性剂和全氟磺酸树脂单体共混后浇注成膜；然后去除表面活性剂，得到具有有序介孔导电通道的多孔膜；随之将杂多酸在高温下注入到多孔膜中，利用热喷涂技术在杂多酸注入的多孔膜两侧分别制备保护层，得到具有三明治结构的高保水能力质子交换膜。另外，梁峰等人发明了一种增强复合质子交换膜的制备方法（中国发明专利申请号201610556684.2），包括以下步骤：全氟磺酸离子交换树脂的预处理、制备全氟磺酸离子交换树脂的水醇溶液、制备全氟磺酸离子交换树脂的制膜溶液、掺杂组分制备、增强复合膜的制备；该发明在保留质子交换膜高导电能力的情况下，将其改性，提高膜的强度，特别是高温下的强度，同时引入自增湿机制，提高其高温下的保水能力，将能够使质子交换膜在燃料电池上得到更广泛的应用。

可见，现有技术中的用于燃料电池的在温度过高或水分含量较大时，易发生溶胀和降解，进而影响质子交换膜的稳定性和导电性，制约了质子交换膜的应用。

发明内容

针对这种情况，我们提出一种高温保水型燃料电池质子交换膜及其制备方法，可有效提高质子交换膜的吸水保水性，并且膜材稳定性好，导电性能优异，应用前景好。

为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：

一种高温保水型燃料电池质子交换膜的制备方法，以改性氧化硅纳米片气凝胶前驱体与全氟磺酸树脂纳米粉末制成分散液，在基底表面涂覆后进行加热及空气吹扫，制得气凝胶包覆全氟磺酸树脂的核壳结构薄膜，即高温保水型燃料电池质子交换膜，制备的具体步骤如下：