[发明专利]一种微孔膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种微孔膜及其制备方法和应用，其中微孔膜包括聚四氟纤维膜本体和负载有铂族金属的纳米氧化物微粒；负载有铂族金属的纳米氧化物微粒均匀分布于聚四氟乙烯纤维膜本体的孔隙中。本发明所述的微孔膜，浸润性能、自增湿性能好，将其用于质子交换膜，可降低质子交换膜的氢气的透过性能，提升抗电化学降解性能，进而提升质子交换膜的寿命。

技术领域

本发明属于质子交换膜技术领域，尤其涉及一种微孔膜及其制备方法和应用。

背景技术

环境污染和能源问题愈加突出，氢氧燃料电池和PEM水电解制氢被认为是解决环境污染和能源问题的重要方法之一。质子交换膜作为燃料电池和PEM水电解制氢技术中的重要部件。燃料电池对质子交换膜的要求很高，质子交换膜承担着传导质子，阻隔反应气体等作用如高的传导质子的能力、低的反应气体渗透性以及一定的机械强度、良好的化学和电化学稳定性等，成为氢能源技术和制膜技术的研究热点。

Dupont公司的传统Nafion膜尽管在低温下表现出优异的电化学性能和机械性能，但是全氟磺酸树脂用量大、薄膜偏厚、价格昂贵，在高温条件下出现了性能衰减现象。特别是在当电池运行温度达到80℃以上的高温时，质子交换膜的电导率和电池输出性能均受环境的影响出现一定程度的衰减。出现这种现象的主要原因可能是随着温度的升高，质子交换膜内的水分蒸发，Nafion逐渐脱水，膜内亲水相的结构受到了一定程度的破坏，从而使膜内质子传输受到直接影响，导致膜的质子电导率降低。另外，由于传统的Nafion系列全氟磺酸质子交换膜的玻璃转化温度较低，高温下的结构破坏限制了它在高温条件下的应用。随着氢能源技术的发展，全氟磺酸树脂品质和制膜工艺的提升，质子交换膜也在不断优化发展，从Penner R M,Matrin CR(Ion-transporting Composite Membrane，Nafion-impregnated Gore-tex)首先将Nafion溶液浸入到膨化聚四氟乙烯(ePTFE，以下用ePTFE代指膨化聚四氟乙烯)微孔膜材料制备应用复合质子交换膜以来，ePTFE微孔膜的应用极大的提升了复合质子交换膜的性能。ePTFE微孔膜本身具有良好的力学性能、疏水性能够良好的保持质子交换膜尺寸，大大降低质子交换膜的溶胀形变，降低质子交换膜的厚度和电阻，极大提升了燃料电池质子交换膜的耐久性和实用性能。但是由于ePTFE微孔膜的浸润性能偏差，不利于全氟磺酸树脂溶液的浸润，使得ePTFE微孔间的全氟磺酸树脂的进入量偏少，以至于质子交换膜的电导率难以提升，且耐久性能差。此外，由于由于ePTFE微孔膜的浸润性能偏差，而燃料电池的对膜材料的严格要求导致，对膨化聚四氟乙烯膜材料的孔隙率、力学性能和浸润性能复合加工性能提出了更高的要求。

目前，大量对质子交换膜抗电化学降解的研究都是直接加入抗氧化剂至均质膜，部分是对Nafion溶液中添加抗氧化剂复合ePTFE微孔膜制备复合质子交换膜。对于上述两种改性方法，仍然难以改变全氟磺酸树脂溶液的浸润性能，并且抗氧化剂的分散难以达到均匀。

因此，解决ePTFE微孔膜在制备复合增强质子交换膜过程中，ePTFE微孔膜亲水性和浸润性能差的问题，十分必要。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种微孔膜，负载有铂族金属的纳米氧化物是一种硬质的化学惰性材料，具有颗粒粒径小、比表面积大、亲水性能好、表面吸附力强、表面能高、力学性能良好、耐磨耗性高、尺寸稳定等优点，是良好的载体增强材料，将其与聚四氟乙烯纤维膜复合，可以提升微孔膜的浸润性能、自增湿性能；同时，负载有铂族金属的纳米氧化物的铂族金属是良好的自由基淬灭剂，可以淬灭复合质子交换膜使用过程中的自由基，有利于全氟磺酸树脂的附着和抗电化学降解，降低质子交换膜的氢气的透过率，提升整个质子交换膜的寿命。

本发明的另一个目的在于提供一种微孔膜的制备方法。

本发明的又一个目的在于提供一种质子交换膜。

本发明的又一个目的在于提供一种质子交换膜的制备方法。