[发明专利]一种燃料电池用水滑石骨架的质子交换膜及制备方法

说明书

本发明提供了一种燃料电池用水滑石骨架的质子交换膜及制备方法。通过制备磺化聚醚醚酮预聚体，再与二价金属盐、三价金属盐进行水热反应制得磺化聚醚醚酮插层水滑石的复合浆体，进一步流延成膜及热处理，即可制得燃料电池用水滑石骨架的质子交换膜。该方法通过水滑石的层骨架和微通道，使得磺化聚醚醚酮在高度磺化条件下保持优异的稳定性和质子导电率，能量密度高，在高温下无膜溶胀问题，安全性好，电池使用寿命长，同时制备过程简单易行，成本较低，适合推广生产应用。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及质子交换膜的制备，特别是涉及一种燃料电池用水滑石骨架的质子交换膜及制备方法。

背景技术

近年来，世界范围内的能源短缺问题越来越严重。由于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重，并且绝大多数能量的转化是热机过程实现的，转化效率低，因此，针对传统能源引来的诸多问题，提高能源的转换效率和寻求清洁新能源的研究获得越来越广泛的。其中，燃料电池是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能，而且不受地域以及地理条件的限制。近年来，燃料电池得到了长足的发展，并且在不同的领域已得到了实际的应用。

燃料电池本质上是水电解的一个逆装置。在燃料电池中，氢和氧通过化学反应生成水，并放出电能。燃料电池基本结构主要由阳极、阴极和电解质3部分组成。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，加速电极上的电化学反应。两极之间是电解质，电解质可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型等五大类型。其中，质子交换膜燃料电池是一种以氢气和氧气为原料的清洁能源，具有能量转化效率高、零污染、能量密度高、相对于其它类型燃料电池运行温度低（70-90℃左右）等优点，且具有大规模生产，可以降低成本的潜力，有望在车载动力、军需装置、移动及便携式能源设备上得到广泛应用。

质子交换膜燃料电池是一种化学能转化为电能的能量转换装置，以固体质子交换膜为电解质、Pt/C为催化剂，氢气为燃料，空气或氧气为氧化剂。其在燃料电池中具有常温工作的优势，燃料的化学能绝大部分都转换为电能，只有少部分以废热方式散出，不需要废热能量回收装置，体积小，重量轻，并且可以冷启动和快启动。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部件，与一般化学电源中使用的隔膜不同，其不只是一种隔膜材料，也是电解质和电催化剂的基底，另外，质子交换膜还是一种选择透过性膜，主要起传导质子、分割氧化剂与还原剂的作用。目前, 常用的质子交换膜是全氟磺酸膜，但其价格高昂，当燃料电池的操作温度高于100℃时膜的质子电导率急剧下降，对工作环境要求极为苛刻，在需要电池工作温度能够提高以减少催化剂的利用方面明显不足，因此具有较好的热稳定性与化学稳定性的磺化芳香聚合物成为不错的选择，其质子电导率随温度升高而大幅提升，但高温时膜溶胀严是阻碍磺化芳香聚合物作为质子交换膜应用中急需解决的问题。

中国发明专利申请号201010256732.9公开了一种高性能的高温质子交换膜燃料电池用聚合物高温质子交换膜及其制备方法，该方法包括把具有优异热稳定性和化学稳定性的聚合物与侧链带有N-杂环的亲水性聚合物共混，采用流延或者溶液涂铸成膜，脱膜后再对制备的均相共混膜进行酸化处理，使之具有良好的高温质子导电性。

中国发明专利申请号201310593705.4公开了一种质子交换膜燃料电池用有机-无机复合质子交换膜及其制备方法，该质子交换膜由侧链带有N-杂环的功能聚合物、杂多酸及骨架聚合物组成。该方法包括：将功能聚合物、骨架聚合物、杂多酸加入有机溶剂中，加热且搅拌至溶解完全，得到透明均一的质子交换膜溶液；采用溶液浇铸或者流延等方法得到有机-无机复合质子交换膜。

中国发明专利申请号201511000192.7公开了一种碳纳米管负载杂多酸-磺化聚醚醚酮质子交换膜的制备方法。该膜是由负载有杂多酸的碳纳米管与磺化聚醚醚酮制备而成：首先将修饰过的碳纳米管浸泡于杂多酸水溶液中得到负载杂多酸的碳纳米管；再将其与磺化聚醚醚酮进行掺杂，通过流延法制备成质子交换膜。