[发明专利]燃料电池用质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池用质子交换膜及其制备方法。所述质子交换膜的原料包括质子交换树脂和改性材料；所述改性材料的原料包括无机材料和有机硅烷偶联剂；所述无机材料选自金属氧化物或金属氢氧化物；所述金属氧化物中，包含摩尔分数为80％‑99.99％的所述金属元素的稳定价态和摩尔分数为0.01％‑20％的所述金属元素的不稳定价态；所述金属氢氧化物中，包含摩尔分数为80％‑99.99％的所述金属元素的稳定价态和摩尔分数为0.01％‑20％的所述金属元素的不稳定价态。所述质子交换膜不仅具有优异的机械强度、质子传导率等，还具有优异的耐久性，使用寿命长。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别是涉及燃料电池用质子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应将化学能直接转化为电能的新型发电装置，它不经过卡诺循环，具有非常高的能量转化效率，是一种清洁、安全、高效的发电技术。质子交换膜燃料电池因其便捷性、使用温度低、安全高效等原因，在交通运输领域具有非常大的应用前景。其中，质子交换膜一般为固态有机电解质膜，其作用是隔离燃料与氧化剂、传递质子(H⁺)。

质子交换膜燃料电池常常使用的催化剂是Pt/C复合催化剂，通过催化燃料气体H₂与氧化剂O₂，释放或接收电子，在外电路的辅助下形成回路，完成放电过程。对于O₂的催化反应中，通常有两种机制或方式：

(1)四电子反应：O₂+4H⁺+4e^-＝2O^2-；

(2)两电子反应：O₂+2H⁺+2e^-＝H₂O₂；

H₂O₂+2H⁺+2e^-＝2H₂O。

这两种机制在使用Pt/C催化剂时都有可能发生，这表明阴极部分有可能生成H₂O₂，而双氧水会释放出自由基HO^·和HOO^·，它们会攻击质子交换膜薄弱部位，导致膜性能衰减，甚至失效破孔，从而造成电池内阻增大，输出功率降低，使用寿命缩短，极大地阻碍了燃料电池的行业发展进度。

通常，通过掺杂改性或复合改性的方式可以一定程度上提高质子交换膜的性能。但是使用无机掺杂时，由于无机材料与质子交换膜树脂之间的不相容性，很难通过机械方法将混合分散均匀。这样制备出来的质子交换膜，性能不稳定均一，无机粒子很难起到应有的保护和提高性能的作用。

目前已有技术在对质子交换树脂进行无机掺杂时，采用对质子有溶剂化能力的聚合物包裹无机离子，形成高温用的质子交换膜，具有高质子电导率。然而，这种方法得到的质子交换树脂的耐久性稍差。

发明内容

基于此，本发明提供一种燃料电池用质子交换膜，其不仅具有优异的机械强度、质子传导率等，还具有优异的耐久性，使用寿命长。

具体技术方案为：

一种燃料电池用质子交换膜，其原料包括质子交换树脂和改性材料；

所述改性材料的原料包括无机材料和有机硅烷偶联剂；

所述无机材料选自金属氧化物或金属氢氧化物；

所述金属氧化物中，包含摩尔分数为80％-99.99％的所述金属元素的稳定价态和摩尔分数为0.01％-20％的所述金属元素的不稳定价态；

所述金属氢氧化物中，包含摩尔分数为80％-99.99％的所述金属元素的稳定价态和摩尔分数为0.01％-20％的所述金属元素的不稳定价态。