[发明专利]一种有机-无机复合酸性聚电解质膜及其制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池技术领域，具体公开了一种有机‑无机复合酸性聚电解质膜及其制备方法。本发明以多壁碳纳米管为对象，采用原位化学沉积法将无机质子导体‑磷酸锆与多壁碳纳米管复合，进一步，与酸性质子交换膜聚合物基体复合制备得到聚合物/磷酸锆‑碳纳米管的复合膜。本发明制得的有机‑无机复合膜有效避免了碳纳米管在酸性聚电解质膜聚合物基体中出现的易团聚、与基体的界面粘结强度低、离子传输能力差等问题；同时该材料可以增强碳纳米管与聚合物基体之间的界面相互作用，并赋予碳纳米管一定的质子传导性能，使添加的碳纳米管能同时具有增强增韧、阻醇和提高聚合物基体质子传导性能的效果，有望在直接甲醇燃料电池领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种有机-无机复合酸性聚电解质膜及其制备方法。

背景技术

当今能源短缺问题和环境污染问题日益严重，人们对清洁能源的需求愈发的迫切。燃料电池作为一种新型能源转化装置，由于其能量转化不受卡诺循环效应的限制、并且利于保护环境，所以受到了广泛地关注与研究。燃料电池中，酸性质子交换膜燃料电池对比其他几类，具有工作温度低、室温下启动速度快、结构简单、操作方便、使用寿命长等优点，被公认为是固定发电站、移动电源、电动汽车、移动通信等的理想能源。

质子交换膜作为酸性质子交换膜燃料电池中核心组件，对电池性能起着至关重要的作用。迄今最常用的全氟磺酸质子交换膜仍具有制作困难、成本高、对温度和含水量要求高、甲醇渗透率较高、不利于环境保护等诸多缺点。虽然通过提高交换膜的磺化度可有效提升酸性聚电解质膜的质子电导率，但膜的机械性能和化学稳定性会随着磺化度的升高而下降，因此，酸性聚电解质膜的质子传导率与化学稳定性及机械性能之间的矛盾阻碍了酸性质子交换膜燃料电池的发展。

有机-无机复合是同时提高聚电解质膜质子电导率、化学稳定性和机械性能的简单有效途径，常用的无机物有SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、SZr、磷酸锆、石墨烯、碳纳米管等。其中，磷酸锆(ZrP)的分子中磷酸基团的氢质子在层内空间能够自由扩散。磷酸锆本身又具有良好的热稳定性以及化学惰性，所以磷酸锆是性能优良的质子传导材料。已有文献【ElectrochimicaandSolid-tateLeners,2001,4(4):31-34】、【ElectrochimicaActa,2002,47(7):1023-1033】报道Nafion-ZrP的有机-无机复合膜在燃料电池中表现出良好的性能。Bauer等【Solid State Ionics,2006,177(26-23):2391-2396】在Nafion 117中掺杂ZrP后，复合膜的质子电导率和机械强度都有显著提升。Hill等【Journal of Membrane Science,2006,283(1-2):102-108】往磺化聚砜中掺杂了ZrP，复合膜的质子电导率在室温能达6.0×10^-2S/cm，同时复合膜的机械强度和阻醇性能也得到提升。但是随着研究的深入，人们发现虽然掺入磷酸锆能提高复合膜的质子电导率，但是由于磷酸锆晶体独特的层状结构及较大的尺寸，磷酸锆与聚合物基体的相容性较差，在长时间使用后，磷酸锆会从聚合物基体中分离，从而导致复合膜的力学性能、质子电导率和化学稳定性会大幅降低。