[發明專利]一種復合有機硅氧烷磷酸酯燃料電池電解質膜及制備方法

在審

• 申請號: 201810077456.6
• 申請日: 2018-01-26
• 公開（公告）號: CN108306035A
• 公開（公告）日: 2018-07-20
• 發明（設計）人: 陳慶;廖健淞
• 申請（專利權）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號: H01M8/1016
• 分類號: H01M8/1016
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種復合有機硅氧烷磷酸酯燃料電池電解質膜及制備方法，將有機硅烷與磷酸酯均勻混合后，加入濃硝酸進行縮合反應，充分反應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℃條件下進行反復正壓干燥使薄膜致密，獲得陶瓷復合硅氧烷磷酸酯電解質膜。本發明克服了傳統質子交換膜燃料電池由于有機聚合物膜材的限制，工作溫區較窄，從而影響質子電導率和催化劑的催化性能和壽命的缺陷，制備的電解質膜質子遷移率達到10^?2S/cm級，醇類阻隔率好，工作溫度較高，可提高至約240℃，解決了傳統質子交換膜工作溫區較窄的問題，可以作為膜材料廣泛應用于燃料電池領域中。

技術領域

本發明涉及燃料電池材料領域，具體涉及一種復合有機硅氧烷磷酸酯燃料電池電解質膜及制備方法。

背景技術

由于對于傳統的化石燃料不可再生，且使用過程中造成的環境污染嚴重，尋求環保型的再生能源是21世紀人類面臨的嚴峻的任務。燃料電池(Fuel cell)是一種新型的能源技術，其通過電化學反應直接將燃料的化學能轉化為電能，所用的燃料為氫氣、甲醇和烴類等富氫物質，對環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用前景。

質子交換膜燃料電池(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)而發展起來的第五代燃料電池，采用高分子膜作為固態電解質，具有能量轉換率高、低溫啟動、無電解質泄露等特點，被廣泛用于輕型汽車、便攜式電源以及小型驅動裝置。PEMFC主要由端板、雙極板和膜電極等部件構成。膜電極是 PEMFC 的核心部件，主要由氣體擴散層、催化層和質子交換膜構成。質子交換膜( PEM) 是質子交換膜燃料電池的關鍵部件, 直接影響電池性能和壽命。

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

為了盡量克服傳統質子交換膜燃料電池由于有機聚合物膜材的限制，工作溫區較窄，從而影響質子電導率和催化劑的催化性能和壽命，以及阻醇性能差等缺點，通過制備新型復合膜也有相關研究。

中國發明專利申請號201310129877.6公開了一種質子交換膜及其制備方法，以聚對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℃具有優良高溫質子傳導率、成膜與力學性能的、適用于高溫燃料電池的聚對苯撐苯并二噁唑質子交換膜。但是，該方案原料成膜性差，由于組分溶脹系數不同，導致質子交換膜質量降低，并且制備步驟繁瑣，時間長。

因此，提出一種在高溫工作條件下結構穩定的燃料電池質子交換膜，克服傳統氟磺酸型質子交換膜工作溫區較窄，從而影響質子電導率和催化劑的催化性能和壽命的缺陷，對于質子交換膜溫區的擴展研究具有十分重要的實際意義。

發明內容