[发明专利]一种高温无水质子交换膜的燃料电池

说明书

本发明公开了一种高温无水质子交换膜的燃料电池，质子交换膜采用一种高温无水质子交换膜作为聚合物电解质膜。聚合物电解质膜中包含有聚吡咯管、氨基化富勒烯结构，能吸收和保留更多的高温质子传导介质磷酸，从而保证其在高温状态下高的质子传导率。聚合物电解质膜中的聚吡咯管、氨基化富勒烯均与分子主链连接，有利于纳米离子分散、形成壁垒、利于高温质子传导。分子结构中富勒烯与二茂铁相互作用，形成特有的离子通道，有利于提高质子传导率。三烯丙基磷酸酯在分子链中起到交联剂的作用，形成三维网状结构，使得本发明的燃料电池具有较好的机械力学性能、化学稳定性、和热稳定性。

技术领域

本发明是中国专利“一种高温无水质子交换膜及其制备方法”的分案申请，申请日为2017年11月15日，申请号为201711153052.2。本发明属于复合材料技术领域，涉及一种燃料电池，尤其涉及一种高温无水质子交换膜的燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种能将储存在于燃料中的化学能直接转化成电能的能源装置，具有寿命长、比功率与能量密度高、可在室温下启动、环境友好、无电解液流失、负荷响应快、水易排除的优点，在电动汽车、移动电源方面具有广阔的应用前景，被誉为新一代清洁新能源装置。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部件，要使得质子交换膜膜燃料电池具有较高的能量转化率和使用寿命，就必须要求质子交换膜具有优异的机械性能、质子传导率、热力学和化学稳定性。

目前，应用商业化应用的质子交换膜为杜邦公司生产的Nafion膜，这类质子交换膜具有极好的热力学和化学稳定性，且在湿态条件下具有较高的质子传导率，然而，它们存在高成本、高甲醇渗透等缺点，更严重的是，其在温度高于80℃后，由于水分的蒸发，使得其质子传导率明显下降，因此，这类质子交换膜不适合在高温条件下使用。

因此，市场上亟需一种价格低廉，质子传导率高、机械性能好、甲醇渗透率低、在高温下能够使用的高温质子交换膜。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种高温无水质子交换膜及其制备方法，该制备方法简单易行，对设备要求不高，原料易得，价格低廉，通过这种制备方法制备得到的高温无水质子交换膜比现有技术中公开的质子交换膜机械性能、化学稳定性更优异，在高温下质子传导率更高，适合在无水条件下使用。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是，一种高温无水质子交换膜的制备方法，包括如下步骤：

1)聚吡咯管表面修饰：将聚吡咯管分散在有机溶剂A中，然后向其中加入4-乙烯基苄氯和氯化锌，在30-40℃下搅拌反应4-6小时；然后过滤，用水洗6-8次；

2)氨基化富勒烯表面修饰：将氨基化富勒烯分散在有机溶剂B中，然后向其中加入1,2-环氧-4-乙烯基环己烷和三乙胺，在室温下搅拌反应5-7小时；然后过滤，用水洗3-6次；

3)杂化膜的制备：将步骤1)中制备得到的表面修饰的聚吡咯管、步骤2)中制备得到的表面修饰的氨基化富勒烯、乙烯基二茂铁、三烯丙基磷酸酯混合并加热到200-250℃，然后向其中加入引发剂，氮气或惰性气体氛围下搅拌反应30-50分钟后，加入磷酸，继续搅拌10分钟，取出浇注于聚四氟乙烯板上，冷却成膜，高温无水质子交换膜。

其中，步骤1)中所述聚吡咯管、有机溶剂A、4-乙烯基苄氯、氯化锌的质量比为(3-5):(12-20):1:0.5；

所述有机溶剂A选自乙醇、异丙醇、二氯甲烷中的一种或几种；

步骤2)中所述氨基化富勒烯、有机溶剂B、1,2-环氧-4-乙烯基环己烷、三乙胺的质量比为(3-5):(12-20):1:0.5；

所述有机溶剂B选自氯仿、乙腈、乙醚中的一种或几种；