[发明专利]一种无机-有机自修复燃料电池质子交换膜及制备方法

说明书

本发明涉及无机‑有机自修复燃料电池质子交换膜及制备方法，属于质子交换膜燃料电池技术领域。本发明提出一种无机‑有机自修复燃料电池质子交换膜及制备方法。该无机‑有机自修复燃料电池质子交换膜，由包括以下重量份的原料制备而成：明矾10～30份、十二烷基乙氧基磺基甜菜碱1～20份、三乙醇胺2～15份、甲基硅酸钠5～15份、二氧化硅气凝胶5～20份、硫酸钙3～18份、磺化聚醚醚酮30～50份。本发明选用特定原料组成具有自修复的无机基，可在高温下克服溶胀，延长了膜的使用寿命、提升了高温工作稳定性。此外，特定的组成成分及含量，使得磺化聚醚醚酮质子交换膜通道变宽,质子传导率增大，燃料电池的性能更好。

技术领域

本发明涉及无机-有机自修复燃料电池质子交换膜及制备方法，属于质子交换膜燃料电池技术领域。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。主要由正极、负极、电解质和辅助设备组成。由于燃料电池具有效率高、启动快、污染小等优点，被认为是继风力、水力和太阳能之后有希望大量提供电能的第四种发电技术，是一种绿色能源技术，可有效缓解目前世界面临的“能源短缺”和“环境污染”这两大难题，实现能源的多元化。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell ,PEMFC)属于低温燃料电池，除了具备燃料电池的一般特定之外，还具有工作温度低、启动快、无电解液流失、无腐蚀、能量转化率高、寿命长、重量轻、体积小等特点，是便携式电源、分布式电站、未来电动汽车的理想替代电源。

质子交换膜(PEM) 是质子交换膜燃料电池的关键部件, 直接影响电池性能和寿命。目前, 常用的质子交换膜是全氟磺酸膜，但是受温度影响较大，高温时会降低电池的能量转化效率。为了克服这些缺点, 各国研究者一直致力于研究开发新型聚合物质子交换膜。聚醚醚酮是一种性能优异的耐高温材料，磺化聚醚醚酮具有较好的阻醇性能、热稳定性与化学稳定性, 并且质子电导率较高，得到了较好的发展，但在高温工作时易造成膜溶胀，发脆等缺陷，影响使用寿命。因此，本领域的科研人员一直致力于聚醚醚酮的改性研究。

申请号为201310700094.9的发明专利公开了一种无机/有机复合质子交换膜及其制备方法；通过溶胶-凝胶方法，将全氟磺酸聚合物引入并固定于SiO₂骨架中，得到含全氟磺酸聚合物的质子导电玻璃，然后将其与低成本磺化多环芳烃聚合物复合，由此获得无机/有机复合质子交换膜。与全氟磺酸聚合物质子交换膜(如Nafion膜)相比，该复合质子交换膜仅含有少量高成本全氟磺酸聚合物，因此总体成本大幅度降低；与磺化多环芳烃聚合物(如磺化聚醚醚酮)相比，固定于SiO₂玻璃骨架中的少量全氟磺酸聚合物的引入，提高了复合膜的质子电导率，并改善了复合膜的耐久性。该发明制备得到的复合质子交换膜，既降低了成本，又有高质子电导率和良好耐久性。但是，该发明采用全氟磺酸聚合物为有机基体，由于全氟磺酸聚合物成本较高，且受温度影响较大，导致其电导率并不高，从其实施例的数据可以看出，该复合质子交换膜材料的电导率在10^-2 S·cm^-1，需要进一步的提高。

申请号为201610893595.7的发明专利公开了一种磺化聚磷腈/醚醚酮质子交换膜材料及其制备方法，该质子交换膜材料采用中等磺化度的磺化聚醚醚酮作为基体材料，以克服过高磺化度SPEEK存在的吸水率过高，复合膜稳定性较差的缺点，并且保证了复合膜具有一定的机械强度和良好的阻醇性能。磷腈三元环结构的引入提高了磺化聚醚醚酮膜材料的热稳定性能和抗氧化性能；芳氨基苯环作为疏水基团的引入进一步提高了阻醇性能和降低了水的溶胀作用；大量磺酸基团通过化学键方式的引入，提高质子交换膜的质子传导率，避免磺酸基团的物理流失，提高膜的使用寿命。本发明具有制备成本低、电导率高、阻醇性能好和耐热性好的特点。但是，从其方法来说，该材料的制备方法复杂，工业化应用的难度较大，并且得到的质子交换膜材料，在20℃～90℃下的电导率为2 .00×10^-3～5 .20×10^-1S·cm^-1，需要进一步的提高。