[發(fā)明專利]經(jīng)礦物纖維保濕的燃料電池質(zhì)子交換膜及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710052392.6
• 申請日: 2007-06-06
• 公開（公告）號: CN101087028A
• 公開（公告）日: 2007-12-12
• 發(fā)明（設計）人: 木士春;高瑩;徐峰;潘牧
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/10;H01M2/16;H01M4/94;H01M4/88
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司
• 代理人: 張安國

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種燃料電池用質(zhì)子交換膜及其制備方法，特別涉及坡縷石-海泡石族礦物纖維摻雜質(zhì)子交換膜及其制備方法，制備的質(zhì)子交換膜具有較好的保水性能及尺寸穩(wěn)定性。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池是一種通過電化學方式直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，被認為是21世紀首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)。這是因為燃料電池不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化效率高；而且由于是H₂和O₂的化學反應，其產(chǎn)物是水，實現(xiàn)了零排放。

目前，質(zhì)子交換膜燃料電池的研究取得了很大進展，但由于系統(tǒng)配置仍較為復雜，導致其發(fā)電效率低，生產(chǎn)成本高，難以與現(xiàn)有的內(nèi)燃機競爭。為此，人們進行了大量的簡化燃料電池系統(tǒng)配置的研究，包括非增濕質(zhì)子交換膜燃料電池的研究，以棄用燃料電池增濕系統(tǒng)；高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的研究，以簡化燃料電池的冷卻系統(tǒng)。而要成功開發(fā)非增濕或高溫質(zhì)子交換膜燃料電池，就必須對現(xiàn)有質(zhì)子交換膜性能進行改進。目前，這方面研究的熱點是合成無機納米保水粒子摻雜全氟磺酸復合質(zhì)子交換膜，以及合成不通過水傳遞質(zhì)子的非氟類質(zhì)子交換膜。然而，非氟類質(zhì)子交換膜在性能及耐久性等方面仍與全氟磺酸復合質(zhì)子交換膜有較大距離。因此，與非氟類質(zhì)子交換膜相比，通過對全氟磺酸質(zhì)子交換膜進行無機納米粒子摻雜獲得保水或高溫復合膜的研究具有較好的應用前景。

目前，無機納米保水粒子摻雜全氟磺酸復合質(zhì)子交換膜的制備方法主要有以下幾種：1)通過浸漬等方法將無機納米保水粒子摻雜到質(zhì)子交換膜內(nèi)，但其缺點是無機納米粒子容易在膜內(nèi)形成梯度層，而且粒子容易團聚；2)質(zhì)子交換樹脂或質(zhì)子交換膜中原位合成無機納米保水粒子，該方法可以解決粒子均勻性分布問題，但納米粒子粒徑難以控制，而且制備工藝復雜；3)將無機納米保水粒子與質(zhì)子交換樹脂溶液共混，澆鑄成膜，該方法制備工藝簡單，但制備過程中須保證無機納米粒子與質(zhì)子交換樹脂溶液具有較好的相溶性。

無機保水粒子的選取原則是：1)粒子具有較好的保水能力；2)粒子親水性好，與質(zhì)子交換樹脂具有較好的相溶性；3)粒子具有一定的傳導質(zhì)子能力；4)易于獲得納米級粒子；5)粒子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，在吸、脫水過程中不伴明顯的結(jié)構(gòu)變化；6)有利于保持或提高質(zhì)子交換膜的力學強度或物理尺寸穩(wěn)定性。從公開的文獻看，通常采用的無機保水粒子是SiO₂、TiO₂、Zr(HRO₄)2或ZrO₂粒子，雜多酸或固體酸粒子，沸石族礦物粒子，蒙脫石等層型粘土礦物及其插層粘土礦物等。但采用這些粒子摻雜，通常會影響質(zhì)子交換膜力學性能或物理尺寸穩(wěn)定性，而且還伴隨有明顯的質(zhì)子導電率下降。如蒙脫石等層型粘土礦物及其插層粘土礦物等在吸、脫水過程中還伴隨有劇烈的結(jié)構(gòu)變化，影響膜的耐久性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種具有保濕功能及尺寸穩(wěn)定性高的燃料電池用質(zhì)子交換膜及其制備方法，特別是采用礦物纖維來保濕及提高尺寸穩(wěn)定性的質(zhì)子交換膜及其制備方法。

坡縷石-海泡石族礦物纖維屬含水鏈層狀鎂硅酸鹽礦物，具有2∶1型結(jié)構(gòu)，因此該類型礦物又稱作2∶1型鏈層狀鎂硅酸鹽礦物。它們的比表面積、孔道發(fā)育、表面具極性等特征與沸石具有一定的相似性，因此在吸附及催化領(lǐng)域具有廣泛的用途。坡縷石-海泡石礦物通常含有4種狀態(tài)的水，即吸附水、沸石水、結(jié)合水及結(jié)構(gòu)水，其大量逸出溫度范圍分別為100～110℃、110～150℃、100～200℃及600～900℃。上述吸附水、沸石水脫去后很容易在室溫下恢復而不會引起晶格的破壞。坡縷石、海泡石礦物的單個孔道截面積分別為0.37×0.64nm²、0.37×1.06nm²，按理論計算，其比表面積都在900m²/g以上，其中以孔道為主的內(nèi)比表面積遠大于外比表面積。因此，坡縷石-海泡石族礦物孔道可以容納大量的沸石水，非常有利于提高質(zhì)子交換膜的高溫保濕性能。此外，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面，與蒙脫石等粘土礦物層間水不同，沸石水在發(fā)生吸、脫附的前后，其結(jié)構(gòu)層間距變化較小，對保持質(zhì)子交換膜的物理尺寸穩(wěn)定性較為有利。同時，坡縷石-海泡石族礦物晶體習性多呈納米纖維狀，其延伸方向主要為Si-O-Si共價健連結(jié)，應具有較好的力學強度。

實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種具有保濕功能及尺寸穩(wěn)定性的燃料電池用質(zhì)子交換膜，其特征在于所述的質(zhì)子交換膜由坡縷石-海泡石族礦物纖維與質(zhì)子交換樹脂復合而成，所述的質(zhì)子交換膜中，坡縷石-海泡石族礦物纖維所占質(zhì)量百分比為0.1-10％，質(zhì)子交換樹脂為99.9-90％。