[發明專利]一種用于氫燃料電池的復合質子交換膜及其制備方法

有效

• 申請號: 202110267692.6
• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113113649B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 任杰;郭亞卿;李明新;鮑連福;劉曉凱
• 申請（專利權）人: 嘉寓氫能源科技（遼寧）有限公司
• 主分類號: H01M8/1041
• 分類號: H01M8/1041;H01M8/1069;H01M8/1081;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京維正專利代理有限公司 11508
• 代理人: 李傳亮

本申請涉及氫燃料電池領域，具體公開了一種用于氫燃料電池的復合質子交換膜及其制備方法；所述質子交換膜由包含以下重量份的原料制成：全氟磺酸樹脂80?92份、聚苯乙烯磺酸鈉3?7份、硅烷偶聯劑0.2?0.5份、玻璃纖維粉1?3份、醇35?50份、水56?64份；其制備方法為：稱取部分水、聚苯乙烯磺酸鈉、硅烷偶聯劑、玻璃纖維粉，混合攪拌制得攪拌液；稱取剩余水與醇混合攪拌后制得醇溶液，稱取全氟磺酸樹脂置于醇溶液中升溫攪拌，制得溶解液；將溶解液降溫后添加S1制得的攪拌液，攪拌后制得混合溶液，混合溶液流延成膜后經干燥制得質子交換膜；具有成本低、質子傳導率高、耐久性好的優點。

技術領域

本申請涉及氫燃料電池領域，更具體地說，它涉及一種用于氫燃料電池的復合質子交換膜及其制備方法。

背景技術

氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學能直接轉換成電能的發電裝置，其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴與電解質發生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極；氫燃料電池中常用質子交換膜作為隔絕陰極和陽極的隔膜。

質子交換膜是氫燃料電池的核心部件，不僅具有阻隔陰極和陽極的作用，還具有傳導電子的作用，使得質子經過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉移構成回路，向外界提供電流；現有的質子交換膜一般為全氟磺酸膜，但是全氟磺酸膜在制備的過程中，全氟物質的合成和磺化較為困難，使得全氟磺酸膜制備成本較高，并且全氟磺酸膜對溫度和含水量要求較高，最佳工作溫度為70～90℃，超過此溫度會使其含水量急劇降低，導電性迅速下降，阻礙了通過適當提高工作溫度來提高電極反應速度和克服催化劑中毒的難題；如果采用部分氟化和非氟化膜其成本較低，制備工藝簡單，但是質子傳導率和耐久性較差，不能滿足染料電池的要求。

因此，急需制備一種成本低、質子傳導率高、耐久性好的質子交換膜。

發明內容

為了提供一種成本低、質子傳導率高、耐久性好的質子交換膜，本申請提供一種用于氫燃料電池的復合質子交換膜及其制備方法。

第一方面，本申請提供一種用于氫燃料電池的復合質子交換膜，采用如下的技術方案：一種用于氫燃料電池的復合質子交換膜，所述質子交換膜由包含以下重量份的原料制成：全氟磺酸樹脂80-92份、聚苯乙烯磺酸鈉3-7份、硅烷偶聯劑0.2-0.5份、玻璃纖維粉1-3份、醇35-50份、水56-64份。

通過采用上述技術方案，利用聚苯乙烯磺酸鈉部分替代全氟磺酸樹脂，使制得的復合質子交換膜具有較好的質子傳導率的同時成本有所降低；并且利用全氟磺酸樹脂的吸水效果，使得聚苯乙烯磺酸鈉溶于水，聚苯乙烯磺酸鈉中的磺基與全氟磺酸樹脂中的磺基相配合，提高質子交換膜的吸水效果，從而提高質子交換膜的質子傳導率。

聚苯乙烯磺酸鈉、硅烷偶聯劑與玻璃纖維粉相配合，使得玻璃纖維粉與聚苯乙烯磺酸鈉相結合，全氟磺酸樹脂中的離子簇與聚苯乙烯磺酸鈉中的磺基產生排斥效果，從而使得聚苯乙烯磺酸鈉和全氟磺酸樹脂在硅烷偶聯劑的作用下包裹玻璃纖維粉，通過玻璃纖維粉的填充效果，提高質子交換膜的強度；并且玻璃纖維粉使聚苯乙烯磺酸鈉、全氟磺酸樹脂顆粒間產生間隙，能夠為質子的傳導提供空間孔隙，從而提高質子交換膜的質子傳導率。

優選的，所述質子交換膜還包括如下重量份的原料：納米銀粉0.5-1份、竹炭粉0.2-0.7份、殼聚糖粉1-2.5份。

通過采用上述技術方案，納米銀粉、竹炭粉和殼聚糖粉相配合，不僅能夠提高質子交換膜的耐熱性能，還能夠與全氟磺酸樹脂和聚苯乙烯磺酸鈉相配合，提高質子交換膜的機械強度，避免質子交換膜在溫度較高的情況下質子交換膜發生變形，從而避免影響質子交換膜的質子傳導率。