[发明专利]一种质子交换膜燃料电池用质子交换膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池PEMFC用质子交换膜的制备方法，使用金属有机骨架材料MIL‑101‑SO₃H作为质子交换膜的质子导电成分，制备高导电性的质子交换膜材料；本发明的优点在于：制作简单，成本低；对于温度和含水量要求大大降低，对于温度、含水量的依赖程度大大降低，具有很强的适用性，通过提高工作温度来提高电极反应速度，并克服催化剂中毒失效。

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜，具体地说是一种质子交换膜燃料电池（PEMFC）用质子交换膜的制备方法，属于质子交换膜领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是通过电化学反应将氢能转化成电能的装置，由于不经过卡诺循环，具有效率高、污染物排放少的特点，对于缓解环境污染、提高人民生活质量有着重要的作用。质子交换膜作为PEMFC的核心组件，对于提高PEMFC的性能有着至关重要的作用。目前，商用的质子交换膜主要是杜邦公司生产的Nafion膜，由于其有的大量的磺酸基团（–SO₃H），使得材料本身具有很高的质子导电性。但是，Nafion稳定性差、成本高的缺点严重限制了质子交换膜燃料电池应用推广。金属有机骨架材料是近年来兴起的一种多孔晶体材料，其具有的可调节性和可设计性使得该类材料在PEMFC用质子交换膜领域有着潜在的应用价值。MIL-101-SO₃H是一种具有超高稳定性的三维网状金属有机骨架材料，化学式为{Cr₃(H₂O)₃O[(O₂C)–C₆H₃(SO₃H)–(CO₂)]₂[(O₂C)–C₆H₃(SO₃)–(CO₂)]}·nH₂O。其材料内部含有大量的介孔结构，孔径为3nm，并含有大量的–SO₃H，因此可与水分子形成大量的氢键，增加材料持水和保水能力。但是，目前国内外均未报道MIL-101-SO₃H的质子导电性。聚偏氟乙烯（PVDF）具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温色变性和耐氧化性、耐磨性、柔韧性等特点，被视为一种良好的膜材料并在很多领域中得到应用。但是PVDF亲水性差，不利于质子的传递。。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计了一种质子交换膜燃料电池用质子交换膜的制备方法，将MIL-101-SO₃H引入到PVDF膜中制备质子导电膜，既利用了PVDF良好的成膜性能，又增加了膜的亲水保水能力，从而提高了膜的导电性和稳定性，对于提高PEMFC性能同时降低PEMFC的成本具有重要的意义。

本发明的技术方案为：

一种质子交换膜燃料电池PEMFC用质子交换膜的制备方法，使用金属有机骨架材料MIL-101-SO₃H作为质子交换膜的质子导电成分，制备高导电性的质子交换膜材料，具体步骤如下：

（1）将PVDF溶于1-甲基-2吡咯烷酮(NMP)中，制成胶液；

（2）将MIL-101-SO₃H加入步骤（1）所制备的胶液中，随后搅拌均匀，得到MIL-101-SO₃H/PVDF/NMP的混合胶液；

其中，聚合物（指的是PVDF）与有机溶剂（指的是NMP）所组成的混合物与MIL-101-SO₃H的质量比为1︰0.001～1:1。

（3）将步骤（2）得到的混合胶液置于平板上，用刮膜器进行平板刮膜，然后将所得膜与平板置于去离子水中，使膜与平板分离，得到质子交换膜。

步骤（1）中所述PVDF/1-甲基-2吡咯烷酮溶液中PVDF的质量分数为10%-23%。