[发明专利]燃料电池用新型质子交换膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池用新型质子交换膜的制备方法，更具体地说是涉及一种直接甲醇燃料电池用新型质子交换膜的制备方法。

技术背景

燃料电池(Fuel Cell)是一种新型的化学电源，与其它化学电源相比，燃料电池具有连续、高效、环境友好、燃料丰富、可靠性高、使用灵活等特性，成为替代其它许多化学电源的新型高性能电池。直接甲醇燃料电池(DMFC)是近年发展起来的一种新型的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，它直接以甲醇为燃料，以氧气或空气为氧化剂，具有广阔的应用前景。

质子交换膜是PEMFC和DMFC的关键部件，与一般电源中的隔膜有很大不同，它不仅是一种隔膜材料，起到传导质子和分隔阴、阳极室的双重作用，还是电解质和电极活性物质(电催化剂)的基底，质子交换膜的性能将直接影响到PEMFC和DMFC的电池性能、能量效率和使用寿命。为保证燃料电池正常运行，质子交换膜应具有较高的质子传导率、低的气体或甲醇透过率、优异的化学和热力学稳定性(于景荣，邢丹敏，刘富强等.燃料电池用质子交换膜的研究进展[J].电化学，2001，7(4)：385-395)。

目前使用最广泛的质子交换膜是商业化的全氟磺酸膜，如美国Du Pont公司的Nafion(全氟磺酸聚四氟乙烯)系列质子交换膜、美国Dow Chemical公司的短支链全氟磺酸型质子交换膜的Dow膜、日本的Asahi Chemical公司Aciplex膜和AsahiGlass公司Flemion膜的长支链全氟磺酸型质子交换膜等。其中又属Nafion(全氟磺酸聚四氟乙烯)膜应用最广。

虽然Nafion膜具有极佳的质子导电性能、良好的化学稳定性和热稳定性，械性能优良，但是它制备工艺复杂，技术难度大，成本高，而且阻醇性能差(邢丹敏，刘永浩，衣宝廉等.燃料电池用质子交换膜的研究进展[J].电池，2005，35(4)：312-313)，当用于直接醇类燃料电池(DMFC)时，使燃料电池的性能大大降低。

为了提高质子交换膜的阻醇性能，一个有效的方法是往Nafion膜里添加纳米无机物，比如SiO₂、TiO₂等。这些纳米无机物虽然可以有效提高阻醇性能，但同时也降低了膜的质子传导率(Jung D H，Cho S Y，Peck D H，et al.Performanceevaluation of a Nation/silicon oxide hybrid membrane for direct methanolfuel cell[J].Power Sources，2002，106(1-2)：173-177)。因此，制备一种具有低的甲醇透过率和高的质子传导率的质子交换膜就成为本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种直接甲醇燃料电池用新型质子交换膜的制备方法，其制备方法简单，无需复杂设备，制得的质子交换膜具有甲醇透过率低，质子传导率高的优点。

为实现上述发明目的，本发明采取了以下技术方案：

一种燃料电池用新型质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)按比例将4wt％-6wt％的全氟磺酸聚四氟乙烯(以下简称为Nafion)醇溶液加入到N，N-二甲基甲酰胺(以下简称为DMF)中，减压蒸馏，除去醇，得到4wt％-6wt％的Nafion-DMF溶液；

(2)按比例称取Na₂Ti₃O₇纳米管，倒入锥形瓶中，再加入DMF，然后超声分散30-60分钟，得到0.3-1.4wt％的Na₂Ti₃O₇纳米管-DMF溶液；

(3)在步骤(2)得到的Na₂Ti₃O₇纳米管-DMF溶液中加入步骤(1)中得到的Nafion-DMF溶液，使所述Na₂Ti₃O₇纳米管DMF溶液与所述Nafion-DMF溶液的重量比为0.5-0.7，超声分散30-60分钟，静置除泡后得到乳白色的铸膜液；

(4)将步骤(3)所得铸膜液在洁净平整的玻璃培养皿中流延成膜，经烘箱热处理后得到Nafion/Na₂Ti₃O₇纳米管复合膜，即为质子交换膜。

一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(1)中，采用5wt％的全氟磺酸聚四氟乙烯醇溶液，得到5wt％的Nafion-DMF溶液。