[发明专利]一种高温质子交换膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种高温质子交换膜的制备方法，操作步骤为(1)将无机氧化物原料与聚合物基体溶液按质量比混合，得到无机氧化物和聚合物的混合物；(2)60～120℃下烘12～72小时，得到无机氧化物和聚合物的复合膜；(3)磷酸溶液中浸泡6～168小时，得到磷酸掺杂的无机氧化物和聚合物的复合膜；(4)热处理，即得无机复合的高温质子交换膜。本发明通过无机氧化物纳米颗粒与磷酸在聚合物基体在150～300℃原位制备高温质子交换膜，方法简单有效，较易实现大规模生产；本发明制备所得产品在100～300℃具有高的质子电导率和电导率稳定性，并且基于膜组装的电池能够在200～300℃稳定运行。

技术领域

本发明涉及一种交换膜的制备方法，特别涉及一种高温质子交换膜的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将物质的化学能高效转化为电能的能量转化装置，其副产物只有水和热能，具有能量转化效率高和环境友好等优点。根据工作温度，燃料电池可以划分为低温燃料电池，比如质子交换膜燃料电池，和高温固体氧化物燃料电池。由于具有快速启动的优点，质子交换膜燃料电池在便携式能源和汽车等领域具有良好的应用情景。在质子交换膜燃料电池中，质子交换膜是其中的一个核心部件，不仅能够高效的将质子从电池的阳极传递到阴极，还能隔绝阳极的燃料和阴极的氧气。目前为止最先进的质子交换膜为全氟磺酸聚合物膜，以杜邦公司的膜为代表。全氟磺酸膜具有优异的化学稳定性和饱和湿度条件下高的电导率。尽管如此，全氟磺酸聚合物膜的电导率高度依赖于聚合物膜中水的含量。因此，基于全氟磺酸聚合物膜的质子交换膜燃料电池在运行的过程中需要对进气进行加湿处理，以保证膜的水饱和状态。同时为了维持全氟磺酸聚合物膜中高的水含量，基于该膜的质子交换膜燃料电池只能在不超过80℃的条件运行。水管理成了低温质子交换膜燃料电池稳定运行的关键因素。同时质子交换膜燃料电池在运行的过程中会放出大量的热。因此在燃料电池汽车的运行中，运行在80℃以下的质子交换膜燃料电池需要大型的冷却系统来冷却燃料电池堆以保证电堆不会过热。基于全氟磺酸质子交换膜的燃料电池的另外一个缺点是必须使用高纯度的氢气作为燃料，因为燃料气体中微量的杂质，比如CO，会极大地降低燃料电池催化剂铂的催化活性，降低电池的性能。尽管氢气作为燃料使得质子交换膜燃料电池表现出高的输出功率，但是氢气的生产、运输和存储所带来的安全性问题仍然限制了低温质子交换膜燃料电池技术的广泛应用。

醇类液体化合物作为燃料，可以方便的运输和储存，并且表现出比氢气更高的体积能量效率。比如甲醇和乙醇的体积能量效率分别为15.6和20.9MJ/L，显著的高于氢气在常压下的0.0108MJ/L和700个大气压条件下氢的5.6MJ/L。并且与纯氢气相比，甲醇和乙醇来源为石油化工产业的副产品，同时也可以通过生物油制得，具有来源广泛的优点。因此，从成本和燃料的角度来讲，基于直接醇燃料的质子交换膜燃料电池比用氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池具有更好的竞争力。尽管醇类液体燃料表现出良好的应用情景，但是低温直接醇燃料质子交换膜燃料电池输出性能低，因为室温条件下铂催化剂对醇的氧化活性较低并且容易中毒。