[发明专利]一种纤维骨架燃料电池质子交换膜的制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池技术领域，具体提供一种纤维骨架燃料电池质子交换膜的制备方法。该发明通过将耐高温纤维与磺化树脂纤维形成网布，以此纤维网布为骨架，通过原位形成氢氧化铝粘合包覆，形成具有耐高温性的微孔网布，并将Nafion液涂布渗透在网布微孔，从而得到一种纤维骨架燃料电池质子交换膜；其在高温工作条件下内含的二氧化硅气凝胶具有一定的持水性，以保证保湿，而且在保水时，纤维骨架含有无机纤维，骨架稳定不易被溶胀破损，有效提高了质子交换膜的工作寿命。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种纤维骨架燃料电池质子交换膜的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。主要由正极、负极、电解质和辅助设备组成。由于燃料电池具有效率高、启动快、污染小等优点，被认为是继风力、水力和太阳能之后有希望大量提供电能的第四种发电技术，是一种绿色能源技术，可有效缓解目前世界面临的“能源短缺”和“环境污染”这两大难题，实现能源的多元化。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell ,PEMFC)属于低温燃料电池，除了具备燃料电池的一般特定之外，还具有工作温度低、启动快、无电解液流失、无腐蚀、能量转化率高、寿命长、重量轻、体积小等特点，是便携式电源、分布式电站、未来电动汽车的理想替代电源。

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, 常用的质子交换膜是全氟磺酸膜，但是受温度影响较大，高温时会降低电池的能量转化效率。在运行温度较高时，由于水分蒸发迅速、燃料渗透加剧和运行环境污染等因素会发生显著的性能下降。

目前已有将吸湿性的金属氧化物纳米粒子与聚合物膜进行杂化能够有效改善膜的水分亲和力以及在高温时保持膜内的水分。然而由于金属氧化物纳米粒子添加在聚合物膜，难以保持良好的微孔，而且与聚合物连接困难，在质子交换膜工作时常出现纳米粒子脱落、聚集等不良反应，影响了稳定的持水。

磺化树脂能够较佳的替换现有全氟磺酸膜，如磺化聚醚醚酮具有较好的阻醇性能、热稳定性与化学稳定性, 并且质子电导率较高，得到了较好的发展，但在高温工作时仍然易造成膜溶胀，发脆等缺陷，影响使用寿命。

申请号为201310700094.9的发明专利公开了一种无机/有机复合质子交换膜及其制备方法；通过溶胶-凝胶方法，将全氟磺酸聚合物引入并固定于SiO₂骨架中，由此获得无机/有机复合质子交换膜。与全氟磺酸聚合物质子交换膜(如Nafion膜)相比，该复合质子交换膜仅含有少量高成本全氟磺酸聚合物，因此总体成本大幅度降低；与磺化多环芳烃聚合物(如磺化聚醚醚酮)相比，固定于SiO₂玻璃骨架中的少量全氟磺酸聚合物的引入，提高了复合膜的质子电导率，并改善了复合膜的耐久性。该发明制备得到的复合质子交换膜，既降低了成本，又有高质子电导率和良好耐久性。但是，该发明采用全氟磺酸聚合物为有机基体，由于全氟磺酸聚合物成本较高，且受温度影响较大，导致其电导率并不高。

发明内容

针对现有质子交换膜在高温工作条件下易蒸发水分难以保湿的缺陷，以及保水时易被溶胀破损的缺陷，本发明提出一种纤维骨架燃料电池质子交换膜的制备方法。

本发明解决的一种纤维骨架燃料电池质子交换膜的制备方法，其特征是，具体方法为：

（1）将耐高温纤维用氢氧化钠溶液清洗，烘干；

（2）将步骤（1）处理的耐高温纤维与磺化树脂纤维梳理，铺网交叉成网布；

（3）将步骤（2）得到的网布喷涂一层Nafion液，然后喷涂氯化铝溶液、氨水溶液、二氧化硅气凝胶组成的分散液，经辊筒压实，烘干，卷取，陈放1-2天；

（4）将步骤（3）处理的网布先针刺，然后送入涂布机，喷涂一层Nafion液，烘干，卷取，得到一种纤维骨架燃料电池质子交换膜。