[发明专利]一种用于氢燃料电池的复合质子交换膜及其制备方法

说明书

本申请涉及氢燃料电池领域，具体公开了一种用于氢燃料电池的复合质子交换膜及其制备方法；所述质子交换膜由包含以下重量份的原料制成：全氟磺酸树脂80‑92份、聚苯乙烯磺酸钠3‑7份、硅烷偶联剂0.2‑0.5份、玻璃纤维粉1‑3份、醇35‑50份、水56‑64份；其制备方法为：称取部分水、聚苯乙烯磺酸钠、硅烷偶联剂、玻璃纤维粉，混合搅拌制得搅拌液；称取剩余水与醇混合搅拌后制得醇溶液，称取全氟磺酸树脂置于醇溶液中升温搅拌，制得溶解液；将溶解液降温后添加S1制得的搅拌液，搅拌后制得混合溶液，混合溶液流延成膜后经干燥制得质子交换膜；具有成本低、质子传导率高、耐久性好的优点。

技术领域

本申请涉及氢燃料电池领域，更具体地说，它涉及一种用于氢燃料电池的复合质子交换膜及其制备方法。

背景技术

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩与电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极；氢燃料电池中常用质子交换膜作为隔绝阴极和阳极的隔膜。

质子交换膜是氢燃料电池的核心部件，不仅具有阻隔阴极和阳极的作用，还具有传导电子的作用，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流；现有的质子交换膜一般为全氟磺酸膜，但是全氟磺酸膜在制备的过程中，全氟物质的合成和磺化较为困难，使得全氟磺酸膜制备成本较高，并且全氟磺酸膜对温度和含水量要求较高，最佳工作温度为70～90℃，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题；如果采用部分氟化和非氟化膜其成本较低，制备工艺简单，但是质子传导率和耐久性较差，不能满足染料电池的要求。

因此，急需制备一种成本低、质子传导率高、耐久性好的质子交换膜。

发明内容

为了提供一种成本低、质子传导率高、耐久性好的质子交换膜，本申请提供一种用于氢燃料电池的复合质子交换膜及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种用于氢燃料电池的复合质子交换膜，采用如下的技术方案：一种用于氢燃料电池的复合质子交换膜，所述质子交换膜由包含以下重量份的原料制成：全氟磺酸树脂80-92份、聚苯乙烯磺酸钠3-7份、硅烷偶联剂0.2-0.5份、玻璃纤维粉1-3份、醇35-50份、水56-64份。

通过采用上述技术方案，利用聚苯乙烯磺酸钠部分替代全氟磺酸树脂，使制得的复合质子交换膜具有较好的质子传导率的同时成本有所降低；并且利用全氟磺酸树脂的吸水效果，使得聚苯乙烯磺酸钠溶于水，聚苯乙烯磺酸钠中的磺基与全氟磺酸树脂中的磺基相配合，提高质子交换膜的吸水效果，从而提高质子交换膜的质子传导率。

聚苯乙烯磺酸钠、硅烷偶联剂与玻璃纤维粉相配合，使得玻璃纤维粉与聚苯乙烯磺酸钠相结合，全氟磺酸树脂中的离子簇与聚苯乙烯磺酸钠中的磺基产生排斥效果，从而使得聚苯乙烯磺酸钠和全氟磺酸树脂在硅烷偶联剂的作用下包裹玻璃纤维粉，通过玻璃纤维粉的填充效果，提高质子交换膜的强度；并且玻璃纤维粉使聚苯乙烯磺酸钠、全氟磺酸树脂颗粒间产生间隙，能够为质子的传导提供空间孔隙，从而提高质子交换膜的质子传导率。

优选的，所述质子交换膜还包括如下重量份的原料：纳米银粉0.5-1份、竹炭粉0.2-0.7份、壳聚糖粉1-2.5份。

通过采用上述技术方案，纳米银粉、竹炭粉和壳聚糖粉相配合，不仅能够提高质子交换膜的耐热性能，还能够与全氟磺酸树脂和聚苯乙烯磺酸钠相配合，提高质子交换膜的机械强度，避免质子交换膜在温度较高的情况下质子交换膜发生变形，从而避免影响质子交换膜的质子传导率。