[发明专利]一种燃料电池有机-无机复合介孔陶瓷电解质膜及制备方法

说明书

本发明提出一种燃料电池有机‑无机复合介孔陶瓷电解质膜及制备方法。将纳米氧化铝溶于无机氯盐中，加入分散剂，形成氯代纳米氧化铝水分散液，之后将溶液与溶有硬脂酸的正丁醇溶液中，除去水分，通过过滤干燥压制低温热处理后制得硬脂酸接枝氯代氧化铝纳米薄膜。本发明提供上述方案能够克服质子交换膜由于制备精密，需要对水分进行精确控制，水含量过高或过低会严重影响膜材的质子迁移率和使用寿命的缺陷，制备的有机‑无机复合介孔陶瓷电解质膜质子迁移率高，解决了传统Nafion膜对于水含量控制要求精确的问题，提高了膜材的稳定性，对质子交换膜的水含量适用性改善具有十分重要的实际意义。

技术领域

本发明涉及燃料电池材料领域，具体涉及一种燃料电池有机-无机复合介孔陶瓷电解质膜及制备方法。

背景技术

由于对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，寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。燃料电池(Fuel cell)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，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质，对环境没有污染以及具有高的能量效率和高的功率密度，因此，燃料电池具有广阔的应用前景。

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC))是继碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)而发展起来的第五代燃料电池，采用高分子膜作为固态电解质，具有能量转换率高、低温启动、无电解质泄露等特点，被广泛用于轻型汽车、便携式电源以及小型驱动装置。PEMFC主要由端板、双极板和膜电极等部件构成。膜电极是 PEMFC 的核心部件，主要由气体扩散层、催化层和质子交换膜构成。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。

目前市场成熟应用的质子交换膜为氟磺酸型质子交换膜。氟磺酸型质子交换膜是美国杜邦公司开发生产的Nafion膜，全氟磺酸膜有很多突出的优点：(1)高的化学稳定性；(2)高的机械强度及在高湿度下高的电导率；(3)低温下实现高的电流密度；(4)离子传导电阻小等。但随着高效质子交换膜燃料电池的深入研究，特别是直接甲醇燃料电池的发展，Nafion 膜已不能满足高效率电池的要求，其缺陷也越来越明显，主要表现为：质子导电率严重依赖膜内水的含量，全氟磺酸膜吸水后尺寸将发生变化，机械强度下降，给膜电极三合一的制备带来困难，并且膜的电导率、水运输能力还有待于进一步提高；单体合成困难，制备精密；温度升高会引起膜的结构不稳定等。因此，研发新类型的低成本的高效的无氟化质子交换膜，从而提高其机械强度和工作温度是研究替代Nafion膜的重要目标。

目前主要的研究方向有：采用含多孔支撑体的全氟磺酸材料；碳氢聚合物磺化处理；酸-碱复合物混合过量酸离子基团；以及无机有机材料复合以提高质子交换膜的稳定性和保水能力。其中，无机有机材料复合质子交换膜具有较好的吸水和保水性能，采用该种复合膜的质子交换膜燃料电池可在大100℃的情况下稳定工作，是一种有效改善质子交换膜性能的方法。

中国发明专利申请号200510035005.9一种用于燃料电池的高含水率质子交换膜及其制备方法，是将呈溶液状态的纳米无机氧化物或该无机氧化物的前驱体与全氟磺酸树脂溶液共混，形成均匀液体，再用浇铸法成膜。制备的膜的含水率与Nafion膜相比提高15-25%，并且完全失水的温度较Nafion膜提高10-20℃，具有自保湿的功能。但是，高温时全氟磺酸树脂会放出有毒的化合物，对环境产生污染。因此，提出一种无需含氟有机聚合物的质子交换膜，避免含氟材料对环境的危害，对质子交换膜的水含量适用性改善具有十分重要的实际意义。

发明内容

针对现有全氟磺酸材料质子交换膜需要对水分进行精确控制，制备精密，结构不稳定的缺陷，本发明提出一种燃料电池有机-无机复合介孔陶瓷电解质膜及制备方法，制备的有机-无机复合介孔陶瓷电解质膜质子迁移率高，提高了膜材的稳定性，解决了传统Nafion膜对于水含量控制要求精确的问题。