[发明专利]一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明属于燃料电池质子交换膜制备的技术领域，具体涉及一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜及其制备方法。本发明一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜的制备方法，通过先预制氧化铝‑氧化锆水凝胶，然后在耐高温磺化聚合物表面进行连续高压喷涂和CO₂激光器扫描烧结，得到磺化聚合物与微孔陶瓷薄膜的复合体，进一步，在离子液中浸溶，使离子液充分负载于微孔陶瓷薄膜，再复合一层耐高温磺化聚合物，得到燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜能在高温下稳定工作，提高电池工作效率、防止催化剂中毒，其中通过CO₂激光器快速扫描烧结，使在耐高温磺化聚合物表面形成微孔陶瓷薄膜，该陶瓷薄膜负载离子液，不但耐高温，而且离子液可以起到传导质子的作用。该质子交换膜100～200℃的温度范围内表现出了较高的导质子率和优异的热稳定性。

技术领域

本发明属于燃料电池质子交换膜制备的技术领域，具体涉及一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池是近些年来兴起的清洁能源技术装置，是继水力、火力和核能发电之后的新一代发电技术。它是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变成电能的高效连续发电装置。通常燃料电池由阳极、阴极及两极之间的电解质组成。在阳极一侧持续通一燃料气，例如H₂、CH₄、煤气等，阴极一侧通入O₂或空气，通过电解质的质子传导，在阴极和阳极发生电子转移，即在两极之间产生电势差，形成一个电池。连接两极，在外电路中形成电流，便可带动负载工作。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于采用氢作为燃料，具有能量转化效率高，可低温启动与运行，环境友好等特点受到了世界各国的高度关注。然而，要实现PEMFC的产业化，还需要解决一些关键技术与科学问题，如大幅降低Pt等贵金属催化剂的用量以降低电池的成本，提高质子交换膜的保水性能以简化水管理及改善电池高温运行环境，进而提高PEMFC的工作效率。对于后一个问题，虽然Nafion等全氟磺酸固体电解质质子交换膜因具有较高的质子交换膜电导率，目前在PEMFC中得到了广泛的应用，但在高温及低湿条件下，该类型质子交换膜容易失水，其质子导电率大幅下降，导致电池输出性能大幅降低。近期，通过与SiO₂、TiO₂、CeO₂、ZrO₂, Al₂O₃,WO₃等纳米氧化物陶瓷材料（MO_x，M指金属与Si等元素）复合，改善固体电解质膜的高温保水及低湿度性能已有了大量的报道，但对MO_x的作用机理的研究还较少涉及。

中国发明专利申请号申请号201510058811.1公开了一种纳米陶瓷纤维管燃料电池质子交换膜及制备方法，该专利选取具有耐高温、性能稳定的且具有质子导电性的纳米陶瓷纤维管作为载体材料，形成以纳米陶瓷纤维管为管套，质子导电辅助剂为管芯的纳米陶瓷质子导电纤维体，为质子的快速迁移和传导提供了通道，从而有效地提高了材料的质子导电性；再与陶瓷前驱体溶胶溶液混合形成铸膜液，通过成型和烧结工艺制备得到一种耐高温，使用寿命长，韧性好，质子导电率高的质子交换膜，且该方法能大规模工业化生产，质量稳定，适合燃料电池的推广应用。

中国发明专利申请号申请号200810046956.X公开了一种基于多孔基体的燃料电池催化剂层、膜电极及制备方法。基于多孔质子交换膜基体的燃料电池催化剂层、膜电极及制备方法。其催化剂层包括多孔质子交换膜、催化剂、或者还有质子交换树脂;多孔质子交换膜由含磺酸基团的质子交换树脂单体构成;催化剂为负载型贵金属单质或贵金属合金催化剂。催化剂层的制备是,将多孔质子交换膜浸催化剂料浆后干燥热压成型。膜电极的制备是,将催化剂层置于一涂有微孔层或水管理层的碳纸表面,热压,然后将一质子交换膜置于两个相同的气体扩散层电极之间,膜与催化剂层接触,再热压制得,或按碳纸-催化剂层-质子交换膜-催化剂层-碳纸的顺序排列,然后热压制得。