[发明专利]一种金属-有机相修饰的燃料电池质子交换膜及制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种金属‑有机相修饰的燃料电池质子交换膜及制备方法。包括如下制备过程：（1）将锆源与配体溶解后加入苯磺酸，加热晶化制得带磺酸基的金属‑有机相UiO‑66‑SO₃H；（2）将带磺酸基的金属‑有机相与Nafion全氟磺酸膜进行水热复合，取出、干燥，制得复合质子交换膜，本发明制得的质子交换膜与普通全氟磺酸膜相比，通过带有磺酸基的金属‑有机相的强亲水性和低溶胀性，提高了全氟磺酸膜在高温低湿环境下的适应性，在水中的溶胀率低，质子迁移率高，电导性能好，机械性能佳，并有效延长了膜材的使用寿命。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种金属-有机相修饰的燃料电池质子交换膜及制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应方式直接转换成电能的高效电装置，其能量转换率高，是一种环境友好的新型能源。燃料电池的种类很多，质子交换膜燃料电池是其中的一种，其最大的优点在于它能在室温附近工作，而且电池启动快，能量转换率高，它不仅可以替代普通的二次电池，而且可以作为汽车的动力源，从而大大减少环境污染，应用前景极好。

质子交换膜作为燃料电池的核心元件，与一般的化学电源中所用的隔膜不同。首先，它不仅仅是一种将阳极与阴极隔开的隔膜材料，而且还是电解质和电极活性物质的基底。另外，质子交换膜还是一种选择透过性膜，而通常用的隔膜都是多孔薄膜。也就是说，质子交换膜的作用是双重的，作为电解质提供质子通道并且作为隔膜隔离两极反应气体，目前应用最普遍的为全氟磺酸膜。

全氟磺酸膜分子的主链具有聚四氟乙烯结构，分子中的氟原子可以将碳-碳链紧密覆盖，而碳-氟键键长短、键能高、可极化度小，使分子具有优良的热稳定性、化学稳定性和较高的力学强度，从而确保了聚合物膜的长使用寿命;分子支链上的亲水性磺酸基团能够吸附水分子，具有优良的离子传导特性。研究表明，提高膜中磺酸基团的数量，与吸水性的金属氧化物或无机质子导体等其他材料进行复合，均可提高膜高温导电性能和降低膜燃料渗透率，这也是目前全氟磺酸膜发展中的主要研究课题。

中国发明专利申请号201610330517.6公开了一种全氟磺酸膜(Nafion)中参杂磺化石墨烯(SGO)的方法，制备成SGO/Nafion复合膜，改善Nafion膜的离子电导率。此发明合成的SGO的加入对SGO/Nafion复合膜的吸水率，溶胀度以及离子电导率有明显的提高。吸水率从纯Nafion膜的30％增加到复合膜的89％，溶胀度从纯Nafion膜的75％增加到复合膜的142％，纯的Nafion膜的离子电导率为57.89Ms·cm^-1，随着SGO含量的增加，复合膜的离子电导率逐渐增加，最高的Nafion-8％-SGO复合膜的离子电导率125.70Ms·cm-¹，超过纯Nafion膜2倍多。

中国发明专利申请号200810014151.7公开了一种掺杂交联增强全氟质子交换膜及其制备方法，属于功能高分子复合 材料领域，这种全氟质子交换膜是以全氟磺酸树脂作为成膜树脂，加入无机物，在一定条件下进行交联反应，形成具有网络结构的增强复合离子交换膜。本发明制备的全氟磺酸膜 具较高的质子导电率和较高的机械性能。

根据上述，现有方案中的全氟磺酸质子交换膜工作环境苛刻，对高温和低湿度条件的适应性差，质子迁移率低，电导率低，在水中溶胀较大，使用寿命短，并且传统的提高磺酸基团和添加吸水性氧化物等材料方法效果不理想，且对膜材机械性能存在不利影响。本发明提出了一种金属-有机相修饰的燃料电池质子交换膜及制备方法，可有效解决上述技术问题。

发明内容

目前应用较广的全氟磺酸质子交换膜对高温和低湿度条件的适应性差，质子迁移率低，电导率低，在水中溶胀较大，使用寿命短，并且传统的提高和改性的方法效果不理想，且对膜材机械性能存在不利影响，制备难度和成本高。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：