[发明专利]一种纳米陶瓷纤维管燃料电池质子交换膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池质子交换膜领域，具体涉及一种纳米陶瓷纤维管燃料电池质子交换膜及制备方法。

背景技术

质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)中的关键部件之一，是一种致密的质子选择透过的功能膜,起着分隔燃料和氧化剂 ,防止它们直接发生反应作用；同时也起着传导质子对电子绝缘的作用,其性能的优劣直接影响电池的性能、能量转化效率和使用寿命。现在广泛研究和商业上使用的大部分都是聚合物高分子类的质子交换膜，如全氟质子交换膜、非氟质子交换膜、非全氟质子交换膜；虽然这类的质子交换膜具有质子电导率优异、甲醇透过率低、成膜简单的优点，但聚合物高分子材料本身具有的易降解、原材料来源少、合成工艺复杂、化学性能较活泼的性能，因而导致其制备得到质子交换膜存在成本高昂、不耐高温和使用寿命短的重大缺陷，从而制约了质子交换膜的大规模生产和利用，也导致质子交换膜燃料电池的市场推广和应用受到限制。   虽然针对目前聚合物高分子质子交换膜存在的问题，在现有的聚合物高分子膜基础上进行了诸多改进，但却并不能很好的解决其存在的缺陷，而具有的低廉的成本、超高的工作温度和长久的工作寿命等优点的陶瓷质子交换膜受到关注，但传统的陶瓷质子交换膜也存在其自身的缺陷，如质子电导率低、成膜困难、易碎，所以，寻求一种新的改性技术或新型陶瓷质子交换膜成为改善或解决现今聚合物高分子和传统陶瓷质子交换膜存在的缺陷具有重要意义。

中国专利公开号CN101773792A公开了一种燃料电池用无机金属氧化物掺杂含氟质子交换膜及其制备方法。该含氟质子交换膜，其中无机金属离子以离子导电陶瓷为载体均匀分散在含氟离子交换树脂中，该发明制备的燃料电池用质子交换膜具有较高的电导率和机械强度，利于提高燃料电池的性能，但由于依然采用的含氟离子交换树脂作为质子交换膜的基体树脂，导致其使用温度和使用寿命均未得到提高，因而该方法不适合大规模的市场应用。        

中国专利公开号CN102800881A公开了一种燃料电池无机质子交换膜的制备方法，该方法由于采用了分散剂甲基纤维素醚使得ZrO2在质子交换膜中分散均匀，从而提高了电池的运行稳定性，但同样受到甲基纤维素醚在高温条件下的使用寿命短的限制，导致该无机质子交换膜的使用寿命短，因而该方法也不能解决目前聚合物高分子质子交换膜寿命短的缺陷。

根据上述，现有的质子交换膜都需要聚合物高分子材料的辅助，因而并不能解决聚合物高分子的交换膜存在的不耐高温和使用寿命短的缺陷，且传统的陶瓷质子交换膜存在质子电导率低，韧性差的缺陷，因此，开发一种具有高质子电导率、韧性好，成膜简单，并且具有低廉的成本、超高的工作温度和长久的工作寿命的新型陶瓷质子交换膜成为推动燃料电池大规模市场应用的关键。

发明内容

本发明针对目前高分子质子交换膜存在不耐高温和使用寿命短和传统的陶瓷质子交换膜存在质子电导率低，韧性差的缺陷，提出一种纳米陶瓷纤维管燃料电池质子交换膜，与其它燃料电池质子交换膜相比，由于采用耐高温且性能稳定的具有质子导电性的纳米陶瓷纤维管作为载体材料，且添加多种辅助材料，经过多重工艺处理制得质子交换膜，因而具有耐高温，使用寿命长，韧性好，质子导电率高的优点。

本发明进一步的目的是提供一种纳米陶瓷纤维管燃料电池质子交换膜的制备方法，该方法通过浸泡、分散、成型、烧结等工艺制得质子交换膜，该质子交换膜具有耐高温，使用寿命长，韧性好，质子导电率高的优点，满足质子交换膜在燃料电池上的应用，且能大规模工业化生产，质量稳定，适合燃料电池对的推广应用。

本发明一种纳米陶瓷纤维管燃料电池质子交换膜，其特征在于含有以纳米陶瓷纤维管为管套，质子导电辅助剂为管芯的纳米陶瓷质子导电纤维体。

在上述一种纳米陶瓷纤维管燃料电池质子交换膜中，其中所述的纳米陶瓷纤维管为外径为5-10nm，内径为,2-6nm，长度为20-100nm的SrCeO₃纳米陶瓷纤维管、BaCeO₃纳米陶瓷纤维管、CaZrO₃纳米陶瓷纤维管、SrZrO₃纳米陶瓷纤维管、BaZrO₃纳米陶瓷纤维管、KTaO₃纳米陶瓷纤维管、LaScO₃纳米陶瓷纤维管、NdScO₃纳米陶瓷纤维管、SmScO₃纳米陶瓷纤维管、GdScO₃纳米陶瓷纤维管中的一种或多种；所说的质子导电辅助剂为磷钨酸、硅钨酸、磷酸锆、磷钼酸、硫酸氢铯中的一种或多种。