[发明专利]质子交换膜及其制备方法和燃料电池

说明书

本发明实施例公开了一种质子交换膜及其制备方法和燃料电池，质子交换膜，包括PI基体、磷酸和有机化改性后的磷酸锆，所述磷酸和所述有机化改性后的磷酸锆分散于所述PI基体中，所述有机化改性后的磷酸锆包括磷酸锆和有机物，所述有机物与所述磷酸锆相结合，所述有机物将所述磷酸锆进行有机化改性。本发明的质子交换膜成本低、质子传导率高、保水性强、力学性能优、热力学稳定性高、以及耐氧化性强。

技术领域

本发明涉及燃料电池，更具体地，涉及一种质子交换膜及其制备方法和燃料电池。

背景技术

质子交换膜(ProtonExchangeMembrane，简称PEM)是质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuel Cell，简称PEMFC)中最重要的部件之一。质子交换膜的功能是传导质子(H⁺)，同时将阳极的燃料与阴极的氧化剂隔离开。在质子交换膜的高分子结构中，含有多种离子基团，只允许氢离子H+穿过，其它离子、气体及液体均不能通过。

目前，全氟磺酸膜Nafion系列膜是迄今研究最多且商用应用最广的质子交换膜，但是，Nafion膜的成本过高，同时，由于Nafion膜传导质子主要通过水来传递，在高温的工作环境下(大于100℃)，水被蒸发，其质子传导率急剧下降，上述缺点限制了Nafion膜的推广应用。因此，开发高效、低成本的新型质子交换膜成为PEMFC领域亟待解决的关键问题。

为了克服上述Nafion膜的缺点，高温质子交换膜成为研究的热点。高温质子交换膜是指提高质子交换膜的使用温度，在高温(大于100℃)下不仅提高催化效率，而且增大质子传导速率。理想的高温质子交换膜的要求如下：在高酸性环境中，它们必须具有电化学稳定性和热稳定性，在低水合和无水状态下应表现出高质子传导性。

目前，高温质子交换膜的研究主要围绕在以下两方面：

(1)基于Nafion膜改性的高温质子交换膜，主要使用三种不同的方法改性全氟磺酸膜，1)用非水性和低挥发性溶剂代替水作为质子导体，填充在Nafion膜内部，例如，磷酸、磷钨酸、1-正-丁基-3-甲基咪唑鎓三氟甲烷磺酸盐、双马来酰亚胺四氟硼酸酯、杂环酸等，该类质子交换膜的缺点是非水性和低挥发性溶剂易被水溶解导致质子传导率下降，或易吸附催化剂导致催化剂中毒。2)通过减小Nafion膜的厚度，这有利于水从阴极向阳极的反向扩散，但不利的一面是降低了机械强度。3)在Nafion膜中填加吸湿性氧化物纳米颗粒或固体无机质子导体，提高Nafion膜的保水性，但是，吸湿性氧化物纳米颗粒或固体无机质子导体在Nafion膜中的分布均匀性以及与Nafion膜的兼容性成为这类膜所面临的难题。上述基于Nafion膜改性的高温质子交换膜仍然存在成本过高的问题。

(2)使用Nafion膜的低成本替代品，主要包括两个研究方向，1)合成含有质子传导基团的磺化芳香基聚合物及其复合膜，例如，磺化聚醚醚酮、聚砜、聚酰亚胺、和聚苯撑等，但是，该类膜的质子传导率和水溶胀性能等还有待进一步提高。2)合成酸基聚合物膜，以醚、醇、亚胺、酰胺或酰亚胺基团等的聚合物为基体，掺杂磷酸作为质子导体，但是该膜的质子传导率过低。现有技术中，提高质子传导率的方法是增加酸含量，但是高酸含量会降低机械强度，且高酸含量容易使酸无法牢固锁在聚合物膜中，质子交换膜运行数小时后磷酸大量溢出，质子传导率急剧下降，同时，高酸含量吸水性强，容易导致聚合物膜具有高的溶胀度，尺寸稳定性差。

为了解决合成酸基聚合物膜中高酸含量导致的机械强度降低的问题，现有技术采用掺杂无机物的方式提高膜的机械性能，但是，仍然无法解决高酸导致的质子交换膜在运行数小时后出现的磷酸大量溢出使质子传导率急剧下降的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种质子交换膜、电极及质子交换膜的制备方法，用低成本的PI(聚酰亚胺，Polyimide)代替Nafion，同时在PI基体中掺杂磷酸和有机化改性后的磷酸锆，磷酸锆和磷酸都具有良好的质子导电性能，能够提高质子交换膜的质子传导率，同时，使磷酸的含量降低，防止酸浸出。