[發明專利]一種高溫質子交換膜的制備方法

有效

• 申請號: 201710888971.8
• 申請日: 2017-09-27
• 公開（公告）號: CN107808969B
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 蔣三平;張勁;沈培康
• 申請（專利權）人: 廣西大學;北京航空航天大學
• 主分類號: H01M8/1041
• 分類號: H01M8/1041;H01M8/1046;H01M8/1081;H01M8/1086
• 代理公司: 南寧市吉昌知識產權代理事務所(普通合伙) 45125
• 代理人: 滕藝瓊

本發明公開了一種高溫質子交換膜的制備方法，操作步驟為(1)將無機氧化物原料與聚合物基體溶液按質量比混合，得到無機氧化物和聚合物的混合物；(2)60～120℃下烘12～72小時，得到無機氧化物和聚合物的復合膜；(3)磷酸溶液中浸泡6～168小時，得到磷酸摻雜的無機氧化物和聚合物的復合膜；(4)熱處理，即得無機復合的高溫質子交換膜。本發明通過無機氧化物納米顆粒與磷酸在聚合物基體在150～300℃原位制備高溫質子交換膜，方法簡單有效，較易實現大規模生產；本發明制備所得產品在100～300℃具有高的質子電導率和電導率穩定性，并且基于膜組裝的電池能夠在200～300℃穩定運行。

技術領域

本發明涉及一種交換膜的制備方法，特別涉及一種高溫質子交換膜的制備方法。

背景技術

燃料電池是一種將物質的化學能高效轉化為電能的能量轉化裝置，其副產物只有水和熱能，具有能量轉化效率高和環境友好等優點。根據工作溫度，燃料電池可以劃分為低溫燃料電池，比如質子交換膜燃料電池，和高溫固體氧化物燃料電池。由于具有快速啟動的優點，質子交換膜燃料電池在便攜式能源和汽車等領域具有良好的應用情景。在質子交換膜燃料電池中，質子交換膜是其中的一個核心部件，不僅能夠高效的將質子從電池的陽極傳遞到陰極，還能隔絕陽極的燃料和陰極的氧氣。目前為止最先進的質子交換膜為全氟磺酸聚合物膜，以杜邦公司的膜為代表。全氟磺酸膜具有優異的化學穩定性和飽和濕度條件下高的電導率。盡管如此，全氟磺酸聚合物膜的電導率高度依賴于聚合物膜中水的含量。因此，基于全氟磺酸聚合物膜的質子交換膜燃料電池在運行的過程中需要對進氣進行加濕處理，以保證膜的水飽和狀態。同時為了維持全氟磺酸聚合物膜中高的水含量，基于該膜的質子交換膜燃料電池只能在不超過80℃的條件運行。水管理成了低溫質子交換膜燃料電池穩定運行的關鍵因素。同時質子交換膜燃料電池在運行的過程中會放出大量的熱。因此在燃料電池汽車的運行中，運行在80℃以下的質子交換膜燃料電池需要大型的冷卻系統來冷卻燃料電池堆以保證電堆不會過熱。基于全氟磺酸質子交換膜的燃料電池的另外一個缺點是必須使用高純度的氫氣作為燃料，因為燃料氣體中微量的雜質，比如CO，會極大地降低燃料電池催化劑鉑的催化活性，降低電池的性能。盡管氫氣作為燃料使得質子交換膜燃料電池表現出高的輸出功率，但是氫氣的生產、運輸和存儲所帶來的安全性問題仍然限制了低溫質子交換膜燃料電池技術的廣泛應用。

醇類液體化合物作為燃料，可以方便的運輸和儲存，并且表現出比氫氣更高的體積能量效率。比如甲醇和乙醇的體積能量效率分別為15.6和20.9MJ/L，顯著的高于氫氣在常壓下的0.0108MJ/L和700個大氣壓條件下氫的5.6MJ/L。并且與純氫氣相比，甲醇和乙醇來源為石油化工產業的副產品，同時也可以通過生物油制得，具有來源廣泛的優點。因此，從成本和燃料的角度來講，基于直接醇燃料的質子交換膜燃料電池比用氫氣作為燃料的質子交換膜燃料電池具有更好的競爭力。盡管醇類液體燃料表現出良好的應用情景，但是低溫直接醇燃料質子交換膜燃料電池輸出性能低，因為室溫條件下鉑催化劑對醇的氧化活性較低并且容易中毒。