[发明专利]高温直接甲醇燃料电池用复合型质子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学的燃料电池技术，更详细地是高温直接甲醇燃料电池用质子交换膜，本发明还涉及了该膜的制备方法。

背景技术

当今世界燃油汽车尾气的排放已成为环境污染的主要来源之一，研制以电能为动力源的电动汽车则是减小燃油车辆尾气排放量，降低环境污染程度的有效手段。而具有“零排放”特征的燃料电池则是最有希望代替现有的燃油发动机作汽车动力源的新型能源。在各种不同类型的燃料电池之中，直接甲醇燃料电池(DMFC)除了具有其它燃料电池一般优点之外，还具有燃料来源丰富易得、价格便宜、易于运输和贮存、电池结构简单、体积和重量小(约为氢氧燃料电池的1/3)以及成本较低(约为氢氧燃料电池的1/2)等优点。因此，直接甲醇燃料电池(DMFC)系统是最适宜用作电动汽车或者其它便携式设备用的可移动动力电源。由于该燃料电池系统所使用的燃料甲醇在100℃以下的催化氧化反应进行相当缓慢，影响了系统的整体性能。因此，高温(100℃以上)直接甲醇燃料电池成为燃料电池发展的新的趋势。然而，现有在直接甲醇燃料电池中使用的Nafion膜不但存在价格昂贵的问题，而且还存在着高温质子传导性能差、甲醇对膜的渗透率高并且该两缺点还随着温度的升高而增大等问题，不适于用在高温直接甲醇燃料电池方面。因此，如何提高质子交换膜的高温质子传导速率，降低其高温下甲醇的渗透率，研制出高性能低成本的新型质子交换膜，是开发高温直接甲醇燃料电池的一项重大技术难题。研究人员目前纷纷将此类燃料电池的研究重点集中在质子交换膜方面。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种高温下的质子传导性能和阻醇性能好，且价格低于市售Nafion膜的价格，可应用在高温直接甲醇燃料电池中的复合型质子交换膜。

本发明还提供了上述高温直接甲醇燃料电池用复合型质子交换膜的制备方法。

本发明的高温直接甲醇燃料电池用复合型质子交换膜是以市售的聚偏氟乙烯或聚乙烯醇为原料，并加入掺有无机多元酸的纳米陶瓷粉末，通过流延热压法、涂浆法、压延法或浸胶法制备的具有纳米微孔结构的复合型质子交换膜；

所述的无机多元酸是指通式为A₃BM₁₂O₄₀·nH₂O具有阴离子簇为[BM₁₂O₄₀]_n结构(Keggin结构)的化合物，其中A＝H，B＝Si、P，M＝Mo、W；无机多元酸选自硅钨酸、磷钼酸、磷钨酸或硅钼酸等；

所述的纳米陶瓷粉末是指掺有无机多元酸的陶瓷化合物，其中的纳米无机陶瓷粉末选自硅土、锆土或二氧化硅粉末，颗粒粒径≤30nm。

本发明的具体制备过程如下：

(1)在纳米陶瓷粉末中加入相当于纳米陶瓷粉末重量5％～50％的无

   机多元酸，混合均匀后待用；

(2)取100重量份的聚偏氟乙烯或聚乙烯醇与15～70重量份的掺有无

   机多元酸的纳米陶瓷粉末混合均匀备料；

(3)将聚偏氟乙烯或聚乙烯醇溶解于常规溶剂配制成高分子溶液，并

   向该高分子溶液中加入掺有无机多元酸的纳米陶瓷粉末，均匀振

   荡5～30分钟，其中的常规溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、丙酮或者

   水；

(4)采用流延热压法，将此混合液平铺在玻璃培养皿表面，在室温～

   90℃加热10～40分钟，然后在室温下干燥0.5～20小时，将溶剂

   干燥后所形成的薄膜从培养皿表面撕下，在100～170℃下热压3～

   20分钟即可；或者采用涂浆法、压延法或浸胶法工艺制备成膜。

本发明与现有材料和技术相比具有如下的优点：

1.利用本发明所提出的制备方法制成的具有纳米微孔结构的复合型质子交

  换膜在高温下的质子传导性能优异，其质子传导速率大于Nafion膜的质

  子传导率。

2.利用本发明所制备的质子交换膜具有纳米微孔结构，80～180℃温度范围

  的甲醇渗透率比Nafion膜的小，阻醇性能好。以样品1为例，详见表1。

3.本发明制备质子交换膜的制备工艺简单，膜成本低于Nafion膜，易于产

  业化，将可推动高温直接甲醇燃料电池的发展。

具体实施方式

实施例1