[發(fā)明專(zhuān)利]一種燃料電池用復(fù)合型高溫質(zhì)子交換膜及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010969078.X
• 申請(qǐng)日: 2020-09-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112086673B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邵志剛;呂波
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H01M8/124
• 分類(lèi)號(hào): H01M8/124;H01M8/1213;C08J7/14;B82Y30/00;B82Y40/00;C08L79/04
• 代理公司: 大連東方專(zhuān)利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 周瑩;李馨

本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種燃料電池用復(fù)合型高溫質(zhì)子交換膜及其制備方法。復(fù)合型高溫質(zhì)子交換膜原料包括聚苯并咪唑、C₃N₄和磷酸，C₃N₄的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1?1.5wt.％。先利用強(qiáng)極性非質(zhì)子溶劑超聲分散C₃N₄納米片，制得C₃N₄分散液S1，然后再將聚苯并咪唑溶于強(qiáng)極性非質(zhì)子溶劑得到PBI溶液S2，將S1、S2均勻混合、攪拌后得到鑄膜液S3，澆鑄在帶凹槽的平板玻璃上，真空干燥后將膜浸泡磷酸中，最終得到高溫燃料電池用復(fù)合質(zhì)子交換膜。該復(fù)合膜具有良好的機(jī)械性能、優(yōu)異的電導(dǎo)率，并且應(yīng)用于燃料電池展示出良好的性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種燃料電池用復(fù)合型高溫質(zhì)子交換膜及其制備方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種能夠?qū)⒒瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，只要不斷地給其供給氧化劑、還原劑，就能持續(xù)的輸出電能。高溫質(zhì)子交換膜燃料電池具有電池能量效率高、對(duì)CO的耐受能力好、水熱管理系統(tǒng)較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。聚苯并咪唑應(yīng)用于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池時(shí)，必須摻雜盡可能多的磷酸，保證高的質(zhì)子電導(dǎo)率，然而高的磷酸摻雜量又會(huì)造成力學(xué)強(qiáng)度的迅速下降，增加磷酸在電池運(yùn)行時(shí)的流失率，影響電池的整體性能。此外摻雜的磷酸易流失，影響工作壽命，摻雜磷酸后機(jī)械強(qiáng)度下降，膜的尺寸穩(wěn)定性降低。

為解決上述問(wèn)題，CN108183250A公開(kāi)了一種在膜內(nèi)摻雜介孔SiO₂的方法，可以提高低增濕條件下的質(zhì)子傳導(dǎo)率。但是由于SiO₂本身不導(dǎo)質(zhì)子，也無(wú)法錨固質(zhì)子酸，更無(wú)法提高膜的機(jī)械強(qiáng)度，因此這種方法難以實(shí)現(xiàn)高溫質(zhì)子復(fù)合膜在不增濕條件下的性能。Journalof Membrane Science,2017,522:23-30報(bào)道了一種在高溫膜內(nèi)摻雜CeO₂的方法，可以改善膜在強(qiáng)氧化環(huán)境下的穩(wěn)定性，但是摻雜后膜的機(jī)械強(qiáng)度和質(zhì)子電導(dǎo)率都有所降低。綜上所述，本領(lǐng)域尚缺乏一種兼具高質(zhì)子電導(dǎo)率、高機(jī)械強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性、高尺寸穩(wěn)定性、耐氧化的高溫質(zhì)子交換膜。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種兼具良好質(zhì)子電導(dǎo)率和力學(xué)強(qiáng)度的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池用復(fù)合膜，并提供了其制備方法，該復(fù)合膜具有良好的機(jī)械性能、優(yōu)異的電導(dǎo)率，并且應(yīng)用于燃料電池展示出良好的性能。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種復(fù)合型高溫質(zhì)子交換膜，復(fù)合型高溫質(zhì)子交換膜原料包括聚苯并咪唑、C₃N₄和磷酸，所述C₃N₄的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1-1.5wt.％。即將聚苯并咪唑、C₃N₄復(fù)合澆鑄成基膜，再浸漬磷酸而成。

基于以上技術(shù)方案，優(yōu)選的，所述C₃N₄為納米片狀結(jié)構(gòu)，片層厚度為4-10nm，在復(fù)合膜中均勻分散。均勻分散在復(fù)合膜內(nèi)的納米片狀結(jié)構(gòu)的C₃N₄，可以暴露出最大的比表面積，最大程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)磷酸的吸附錨固，降低磷酸的流失。此外剛性結(jié)構(gòu)的C₃N₄納米片可以充分分擔(dān)外加應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)復(fù)合膜力學(xué)強(qiáng)度的提高。

基于以上技術(shù)方案，優(yōu)選的，所述C₃N₄的制備方法為：

雙氰胺溶于草酸或檸檬酸溶液中，真空干燥后煅燒，煅燒后研磨成粉末，分別用0.25-1.5M鹽酸溶液清洗0.5-3h、去離子水清洗0.5-2h，所得固體干燥即得。