[發(fā)明專利]一種復(fù)合有機(jī)硅氧烷磷酸酯燃料電池電解質(zhì)膜及制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810077456.6
• 申請(qǐng)日: 2018-01-26
• 公開（公告）號(hào): CN108306035A
• 公開（公告）日: 2018-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳慶;廖健淞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號(hào): H01M8/1016
• 分類號(hào): H01M8/1016
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供一種復(fù)合有機(jī)硅氧烷磷酸酯燃料電池電解質(zhì)膜及制備方法，將有機(jī)硅烷與磷酸酯均勻混合后，加入濃硝酸進(jìn)行縮合反應(yīng)，充分反應(yīng)后過濾烘干得到凝膠狀材料，將凝膠材料均勻涂覆在多孔陶瓷膜表面，壓制后放入真空干燥爐在120℃條件下進(jìn)行反復(fù)正壓干燥使薄膜致密，獲得陶瓷復(fù)合硅氧烷磷酸酯電解質(zhì)膜。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池由于有機(jī)聚合物膜材的限制，工作溫區(qū)較窄，從而影響質(zhì)子電導(dǎo)率和催化劑的催化性能和壽命的缺陷，制備的電解質(zhì)膜質(zhì)子遷移率達(dá)到10^?2S/cm級(jí)，醇類阻隔率好，工作溫度較高，可提高至約240℃，解決了傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜工作溫區(qū)較窄的問題，可以作為膜材料廣泛應(yīng)用于燃料電池領(lǐng)域中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池材料領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合有機(jī)硅氧烷磷酸酯燃料電池電解質(zhì)膜及制備方法。

背景技術(shù)

由于對(duì)于傳統(tǒng)的化石燃料不可再生，且使用過程中造成的環(huán)境污染嚴(yán)重，尋求環(huán)保型的再生能源是21世紀(jì)人類面臨的嚴(yán)峻的任務(wù)。燃料電池(Fuel cell)是一種新型的能源技術(shù)，其通過電化學(xué)反應(yīng)直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，所用的燃料為氫氣、甲醇和烴類等富氫物質(zhì)，對(duì)環(huán)境沒有污染以及具有高的能量效率和高的功率密度，因此，燃料電池具有廣闊的應(yīng)用前景。

質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC))是繼堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)而發(fā)展起來的第五代燃料電池，采用高分子膜作為固態(tài)電解質(zhì)，具有能量轉(zhuǎn)換率高、低溫啟動(dòng)、無電解質(zhì)泄露等特點(diǎn)，被廣泛用于輕型汽車、便攜式電源以及小型驅(qū)動(dòng)裝置。PEMFC主要由端板、雙極板和膜電極等部件構(gòu)成。膜電極是 PEMFC 的核心部件，主要由氣體擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜構(gòu)成。質(zhì)子交換膜( PEM) 是質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵部件, 直接影響電池性能和壽命。

質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜主要有氟磺酸型質(zhì)子交換膜、非氟聚合物質(zhì)子交換膜等類型。氟磺酸型質(zhì)子交換膜是美國杜邦公司的Nafion^@膜，在150℃的強(qiáng)酸和氧化環(huán)境中仍能保持良好的穩(wěn)定性，高的機(jī)械強(qiáng)度及在高濕度下高的導(dǎo)電率，但Nafion^@類膜仍存在質(zhì)子導(dǎo)電率嚴(yán)重依賴于膜中含水量, 低濕度時(shí)膜的導(dǎo)電率下降明顯；工作溫度超過水的沸點(diǎn)很容易脫水而使其失去質(zhì)子導(dǎo)電性能，無法用于中溫 (100～200℃) 燃料電池；高溫時(shí)膜易發(fā)生化學(xué)降解, 產(chǎn)生毒性；單體合成困難, 成本高, 廢品難處理；用于甲醇燃料電池時(shí)易發(fā)生甲醇滲漏等缺點(diǎn)。針對(duì)全氟磺酸型質(zhì)子交換膜價(jià)格昂貴，由于有機(jī)聚合物膜材的限制，工作溫區(qū)較窄，從而影響質(zhì)子電導(dǎo)率和催化劑的催化性能和壽命等缺點(diǎn)，人們開發(fā)出非氟化質(zhì)子交換膜，將聚苯撐氧、芳香聚酯、聚苯并咪唑、聚酰亞胺、聚砜、聚酮等經(jīng)過質(zhì)子化處理用于PEMFC，如離子交聯(lián)的質(zhì)子交換聚合物網(wǎng)絡(luò)型膜，但是也存在酸堿對(duì)不匹配時(shí)離子間結(jié)合力比較弱，導(dǎo)致高溫下離子交聯(lián)的失效，使該體系形成的薄膜尺寸穩(wěn)定性下降。

為了盡量克服傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池由于有機(jī)聚合物膜材的限制，工作溫區(qū)較窄，從而影響質(zhì)子電導(dǎo)率和催化劑的催化性能和壽命，以及阻醇性能差等缺點(diǎn)，通過制備新型復(fù)合膜也有相關(guān)研究。

中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?01310129877.6公開了一種質(zhì)子交換膜及其制備方法，以聚對(duì)苯撐苯并二噁唑與多聚磷酸共混膜PBO/PPA混合漿液壓制作出在高溫如150-200℃具有優(yōu)良高溫質(zhì)子傳導(dǎo)率、成膜與力學(xué)性能的、適用于高溫燃料電池的聚對(duì)苯撐苯并二噁唑質(zhì)子交換膜。但是，該方案原料成膜性差，由于組分溶脹系數(shù)不同，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜質(zhì)量降低，并且制備步驟繁瑣，時(shí)間長。

因此，提出一種在高溫工作條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的燃料電池質(zhì)子交換膜，克服傳統(tǒng)氟磺酸型質(zhì)子交換膜工作溫區(qū)較窄，從而影響質(zhì)子電導(dǎo)率和催化劑的催化性能和壽命的缺陷，對(duì)于質(zhì)子交換膜溫區(qū)的擴(kuò)展研究具有十分重要的實(shí)際意義。

發(fā)明內(nèi)容