[发明专利]一种燃料电池用的高温质子交换膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温质子交换膜及制备方法，属于燃料电池技术

技术背景

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是一种通过电化学反应将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。PEMFCs由于具有功率密度大、能量转换效率高、电池结构紧凑、启动速度快、环境污染小、可应用领域广泛等众多优点而成为各类燃料电池中发展最快、技术最为成熟的一类燃料电池。近年几来，高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFCs)由于操作在较高温度(100～200℃)下而具有如下优点而成为质子交换膜燃料电池的主流发展方向：(1)阴、阳极动力学速度明显加快，(2)阳极对燃料中CO等杂质气体的耐受能力明显提高，(3)阴极生成的产物为气态水，避免了电极被水淹的困扰，大大简化了PEMFCs的水管理系统，(4)简化了系统热管理系统，(5)降低了阴、阳极贵金属催化剂的用量，并且有望实现非贵金属催化剂的使用，等等。

现有的广泛应用于低温质子交换膜燃料电池(≤80℃)的全氟磺酸质子交换膜(如美国杜邦公司生产的Nafion系列膜)，由于在高温条件下脱水导致电导率大幅下降而无法应用于高温质子交换膜燃料电池。因此，目前高性能的高温质子交换膜是高温质子交换膜燃料电池研究的重中之重。尽管近几年来高温质子交换膜的开发与研究已经取得了较大的进展，但其离高温质子交换膜燃料电池的实际应用还有较大距离。例如，无机纳米颗粒改性的全氟磺酸质子交换膜虽然在一定程度上提高其保水能力，但受无机纳米粒子的保水能力和Nafion自身玻璃化转变温度的限制，改性Nafion膜的工作温度难以突破130℃，而且改性后的全氟磺酸质子交换膜必须工作在较高的湿度条件下才能获得可观的电导率。因而限制了此类高温质子交换膜在更高温度或低湿度的质子交换膜燃料电池中的应用。

用于替代全氟磺酸质子交换膜的磺化芳环类聚合物电解质也面临类似的问题。磷酸掺杂的聚苯并咪唑(PA-PBI)是目前研究最多，技术最为成熟的一类高温质子交换膜。但此高温膜也存在很多问题，如，虽然PBI膜本身机械性能很好，但为了获得高的质子导电性，就必须增加PBI的磷酸吸收量，而随着PA掺杂量的增加，其强度急剧下降，因此PBI-PA复合膜的使用面临着复合膜机械强度上的问题。另外，目前所用的PBI多为各个研究组自行合成，聚合物的分子量和产品质量上存在很大差异，造成不同课题组报道的PBI-PA复合膜电导率差异达到4～5个量级之多。再者，PBI的价格较高。PBI-PA存在的上述问题在很大程度上影响了其商业化进程。

因此，开发新型高性能的高温质子交换膜是非常必要的。

发明内容

本发明针对上述问题，本发明的目的在于提供了一种新型的高性能高温质子交换膜及其制备方法，所制备出的高温质子交换膜为均相、透明、致密隔膜，具有优良的热稳定性、化学稳定性、机械性能和优异的高温质子导电性。

根据本发明的一个方面，提供了一种高温质子交换膜燃料电池用均相共混膜的制备方法，其特征在于包括：

将具有耐化学腐蚀性和热稳定性的工程塑料类骨架聚合物溶解于溶剂中，得到聚合物浓度为1～15wt％的一种第一透明聚合物溶液，用于给高温质子交换膜提供机械性能；

将具有耐化学腐蚀性和热稳定性的侧链带有N-杂环的亲水性聚合物溶于所述溶剂中，得到聚合物浓度为1～15wt％的一种第二透明聚合物溶液，用于给高温质子交换膜提供功能基团；

将上述第一透明聚合物溶液与第二透明聚合物溶液混合，搅拌均匀后在洁净的基体上进行成膜处理，从而得到均相透明共混膜。

根据本发明的一个进一步的方面，提供了用上述方法制备的高温质子交换膜。

将所述均相透明共混膜在一定浓度磷酸、杂多酸或者两者的混合物溶液中浸泡预定时间，

取出所述均相透明共混膜，擦去表面残留的附着酸，从而得到具有高的高温质子导电性的高温质子交换膜。

附图说明

图1为磷酸浸泡处理过的PSF40-PVP60高温质子交换膜截面电子扫描显微镜测试结果。

图2为PA-PES33-PVP67膜作为高温质子交换膜燃料电池隔膜时的电池输出性能。

具体实施方式

本发明提供了一种新型的高性能高温质子交换膜及其制备方法，所制备出的高温质子交换膜为均相、透明、致密隔膜，具有优良的热稳定性、化学稳定性、机械性能和优异的高温质子导电性。

根据本发明的的一个实施例的高温质子交换膜的制备方法包括均相共混膜的制备和质子化后处理两个步骤。

根据本发明的一个实施例，所述耐高温均相共混膜的制备包括：