[发明专利]改性质子交换膜及其制备方法、粘结剂、燃料电池及水电解装置

说明书

本发明公开了一种改性质子交换膜，包括作为基体的质子交换树脂，以及与所述质子交换树脂混合的H‑Si‑O材料；所述H‑Si‑O材料具有类层状硅酸盐结构，包括H、Si、O，并且不包括其他金属元素；或者包括H、Si、O及其他金属元素，且所述其他金属元素与Si的摩尔比≤0.40。本发明还公开了一种粘结剂、一种燃料电池和一种水电解装置。本发明还公开了一种改性质子交换膜的制备方法。

技术领域

本发明涉及燃料电池/水电解技术领域，特别涉及一种改性质子交换膜及其制备方法、粘结剂、燃料电池及水电解装置。

背景技术

21世纪清洁能源的使用已经成为社会的共识，质子交换膜燃料电池具有清洁无污染的特性，由于其不受卡诺循环的限制，能源转换效率达到70％以上，作为新一代的清洁能源供能方式已经取得的巨大的进展，在国内外都有加氢站的布局和燃料电池示范车在运行。质子交换膜燃料电池在工作时，氢气和氧气分别通过导流板流向质子交换膜两侧的阳极和阴极，在催化剂作用下，阳极的氢气发生如下反应：H₂→2H⁺+2e^-，生成的氢离子穿过质子交换膜到达阴极，与氧气反应生成水，在此电化学反应过程中，电子在外电路连接下形成电流，向负载输出电能。这一过程是电解水的逆过程，在水电解装置中同样可以应用质子交换膜作为正极和负极之间的电解质。而质子传导率是影响质子交换膜，以及应用其的燃料电池和水电解装置的关键因素，如何提高质子传导效率是本领域所面临的重大课题。

发明内容

基于此，确有必要提供一种能够提高质子传导率的改性质子交换膜及其制备方法、粘结剂、燃料电池及水电解装置。

一种改性质子交换膜，包括作为基体的质子交换树脂，以及与所述质子交换树脂混合的H-Si-O材料；所述H-Si-O材料具有类层状硅酸盐结构，包括H、 Si、O，并且不包括其他金属元素；或者包括H、Si、O及其他金属元素，且所述其他金属元素与Si的摩尔比≤0.40。

在其中一个实施例中，所述类层状硅酸盐结构包括多个相互层叠的硅氧四面体层。

在其中一个实施例中，所述其他金属元素包括位于所述硅氧四面体层之间的第一金属元素M₁，M₁与Si的摩尔比≤0.25。

在其中一个实施例中，M₁与Si的摩尔比≤0.03。

在其中一个实施例中，所述硅氧四面体层为掺杂的硅氧四面体层，所述其他金属元素包括位于所述硅氧四面体层中取代部分Si位于四面体中心的第二金属元素M₂，M₂与Si的摩尔比≤0.33。

在其中一个实施例中，所述其他金属元素选自Al、Mg、Fe、Ca、Zn、Li、 K及Na中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述H与部分O以结构水和/或结晶水的形式存在，所述结构水以H⁺、OH^-、和/或H₃O⁺形式存在，所述结晶水以H₂O形式存在。

在其中一个实施例中，所述质子交换树脂包括全氟磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚三氟苯乙烯磺酸和酚醛树脂磺酸中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述H-Si-O材料与所述质子交换树脂质量比为 0.001～2.000。

一种粘结剂，包括作为基体的质子交换树脂，以及与所述质子交换树脂混合的H-Si-O材料；

所述H-Si-O材料具有类层状硅酸盐结构，包括H、Si、O，并且不包括其他金属元素；或者包括H、Si、O及其他金属元素，且所述其他金属元素与Si 的摩尔比≤0.40。

在其中一个实施例中，所述质子交换树脂包括全氟磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚三氟苯乙烯磺酸和酚醛树脂磺酸中的一种或多种。