[发明专利]一种中高温质子交换膜燃料电池用无机固体电解质膜材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种中高温质子交换膜燃料电池用无机固体电解质膜材料的制备方法，通过在制备电解质膜过程中掺杂磷酸硼和MXene以提高焦磷酸盐MP₂O₇的质子传导能力，提高其电解质性能。通过数据对比，本发明MXene/MP₂O₇/BPO₄电解质膜更为致密，电导率较高，且热稳定性高于MP₂O₇/BPO₄。

技术领域

本发明涉及一种中高温质子交换膜燃料电池用无机固体电解质膜材料的制备方法，通过在制备电解质膜过程中掺杂MXene以提高焦磷酸盐的电导率，使得电解质在150℃以上仍能表现出较好的质子电导率，属于新能源燃料电池技术领域。

背景技术

寻求以低能耗、低污染、低排放为目标的新型能源是目前全球发展的重要目标之一。其中作为氢能应用终端的燃料电池是高效、无污染的将化学能直接转化为电能的装置，因此受到广泛关注。

燃料电池中以质子交换膜为电解质的质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因具有高效、启动快、能量转化效率高等特色，是目前最具有商业化应用前景的燃料电池。其通常使用温度在100℃以下，但通常要求贵金属催化剂，使得成本增加。如在更高的温度下(≥100℃)，电极反应动力学速度会进一步提高，催化剂对CO等毒化物质的耐受力增强，并可以进一步简化PEMFCs中的水管理体系，因此是目前研究的热点。但是过高的温度(≥500℃)对PEMFCs的部件材料的要求苛刻，配套材料选择余地有限。因此，统筹考虑高温和低温下PEMFCs的优缺点，发展中温(100-500℃)PEMFCs是具有重要意义的。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部分，其性能的好坏直接影响燃料电池的整体性能。目前适用于中高温条件的质子交换膜以无机质子陶瓷膜为主。其中金属焦磷酸盐(MP₂O₇)因其在中高温下(150-400℃)具有一定电导率而被关注，但其电导率仍远低于低温条件下通过液相传输质子的电解质膜，而通过无机材料的混合或掺杂以改善质子传导性能，从而提高电解质性能是目前应用的主要手段。二维纳米材料MXene是通过酸刻蚀MAX原料获得的表面具有羟基等基团的陶瓷材料，具有良好的机械性能和热稳定性，能够适用于PEMFCs的中高温体系，并且其表面的羟基等基团有望为质子的传输提供更多的跳跃位点，从而促进质子电导率。

发明内容

本发明旨在提供一种中高温质子交换膜燃料电池用无机固体电解质膜材料的制备方法，通过在制备电解质膜过程中掺杂磷酸硼(BPO₄)和MXene以提高焦磷酸盐MP₂O₇的质子传导能力，提高其电解质性能。

本发明中高温质子交换膜燃料电池用无机固体电解质膜材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将MO₂和H₃PO₄溶液(质量分数85％)混合，然后加入MXene粉末，在200℃下不断搅拌直至混合物呈粘稠状，随后转移至带盖子的坩埚中，在空气中于500-1000℃烧结1-6小时，冷却至室温后取出，研磨成均匀的粉末，即得到MXene/MP₂O₇粉末；

MO₂中的M为Sn、Ce或Zr。