[發明專利]燃料電池用保水型質子交換膜的制備方法

在審

• 申請號: 201611221083.2
• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN108242553A
• 公開（公告）日: 2018-07-03
• 發明（設計）人: 徐風廷
• 申請（專利權）人: 天津風偉雨眾能源科技有限公司
• 主分類號: H01M8/1069
• 分類號: H01M8/1069;H01M8/106
• 代理公司: 天津津專知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 12220
• 代理人: 賀楠

本發明提供了一種燃料電池用保水型質子交換膜的制備方法，該方法工藝簡單，使用溶液鑄膜法，所制備復合膜的厚度和納米SiO₂的用量可控，制備的保水型質子交換膜的機械強度好，以高穩定和成本低廉的多孔聚四氟乙烯PTFE為基底膜制備超薄復合膜，保證了超薄膜的機械強度，納米SiO₂的分散性好，采用不同種類表面活性劑分散納米SiO₂，可有效提高膜的保水性能。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其是涉及一種燃料電池用保水型質子交換膜的制備方法。

背景技術

化石燃料的使用造成大量污染物排放，導致環境污染問題，開發新型清潔能源已引起世界各國政府和企業界的高度重視。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種通過電化學反應將燃料和氧化劑中的化學能直接轉變為電能的發電裝置，具有高能量轉換效率、環境友好等優點。目前燃料電池技術已經進入示范階段。然而，燃料電池商業化進程中存在著許多的障礙：如基礎設施架構、氫制備和存儲、成本、可靠性、耐久性、操作靈活性等。燃料電池本身存在著可靠性和耐久性差、成本高等問題。僅僅靠燃料電池現有技術，對推進燃料電池商業化是非常困難的。因此，必須對其關鍵材料進行重點研究。

質子交換膜是燃料電池的關鍵材料之一，其性能直接影響PEMFC的電池性能、能量效率和使用壽命.對于目前PEMFC普遍采用的固體聚合物電解質膜，質子在膜中以水合質子的形式從陽極傳導到陰極，水在膜中作為質子傳導的載體。同一種聚合物膜，膜的含水量越高膜內質子傳導速率就越快，膜的電導率越大.因此對PEMFC而言，保持質子交換膜充足的水含量十分重要。

在目前的研究開發中，通常是采用增濕輔助系統對進入電池組的反應氣進行增濕處理來保持質子交換膜的水含量，這無疑是增加了燃料電池系統的復雜性、提高了成本和消耗了大量的熱能。帶外增濕輔助系統的燃料電池在運行過程中易出現水淹現象，同時存在著外環境低溫時外增濕用水結冰的難題。因此，探索研究無外增濕即自增濕輔助系統的自增濕燃料電池，以簡化系統的復雜性，提高能量效率，降低成本，推動燃料電池商業化具有重要意義。

當燃料電池在無外增濕條件下運行的時候，陰極側電化學反應生成水是質子交換膜維持潤濕狀態唯一的水源.質子交換膜內有兩種方式傳遞的水分子：在電滲作用下隨質子從陽極向陰極遷移的電遷移水和陰極側電化學反應生成水在濃度梯度作用下從陰極擴散到陽極的反擴散水.當反擴散水不能及時補充由于電滲作用從陽極遷移到陰極側的電遷移水的時候，膜的陽極側則處于干涸的狀態從而造成質子電導率的大幅度下降.針對自增濕質子交換膜的研究主要集中在兩個思路(I)利用膜的微量反應氣滲透特性，使相互滲透的氫、氧在鉑催化劑上發生化學反應生成水加之陰極側電化學反應生成水共同潤濕膜；(II)利用電池生成水，通過采用薄膜或者摻雜保水物質來加強膜內水的反擴散作用和增加膜的水含量。

在美國專利US patent 5,318,863和US patent 5,242,764中提到了在電極上噴涂成型質子交換膜的方法，兩側電極分別噴涂一定厚度的Nafion溶液，然后熱壓成MEA。由于這種方法做出來的質子交換膜很薄，電池對氣體的增濕要求不高。但是存在著透氣量大和使用壽命低的問題。

在中國專利CN1224119C中，提到的了一種制備保水型復合質子交換膜的方法，該保水型質子交換膜的技術特征是：在市售全氟磺酸膜的基體上，制備具有保水功能的涂層復合層，這種具有保水功能的涂層復合層的制備方法是，先將無機物或其氧化物粉末加入到全氟磺酸膜溶液中，再涂覆到基膜的一側或兩側。這種方法制備成的保水型質子交換膜具有一定的保水性能，但是受制于基膜，無法持續改進基膜。