[发明专利]一种有机/无机复合中高温质子导电膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子导电膜的制备方法，具体涉及一种有机/无机复合中高温质子导电膜的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种通过电化学反应将燃料(如氢气)的化学能转化为电能的装置。质子交换膜燃料电池有着起动快，高效，无污染的特点，这一特点使其成为未来电动汽车、移动电源及备用电源的重要候选电源。

目前质子膜燃料电池中的质子导电膜主要为全氟磺酸聚合物。这类聚合物需要在较低的温度（<90°C）和较高的环境湿度下才能保持较高的质子导电率。因此低温质子膜燃料电池系统需要配备复杂的温度管理系统和湿度管理系统，从而增加了燃料电池系统的成本和能耗。此外，在较低的工作温度下，CO对燃料电池催化剂Pt的毒化作用较为显著，CO会吸附在催化剂的表面，从而阻止燃料电池电极反应的进行。因此，低温燃料电池对氢气的纯度要求非常高。使用高纯度的H₂会增加燃料电池的运行成本。

采用中高温质子交换膜的燃料电池可以在120°C以上的条件下工作，在无水条件下或者依靠电池运行过程中产生的水蒸气能保持较高的质子导电率。因此，燃料电池系统的水管理系统和温度控制系统可以大大简化，这将大幅降低燃料电池的成本并提高能源的使用效率。此外，经研究发现，温度高于120°C时，吸附在催化剂铂表面的CO会发生脱附，因此铂催化剂对CO的耐受性大大提高，可以降低对H₂和环境的要求，提高燃料电池的使用寿命，降低运行成本。

研究开发中高温质子导电膜一直是燃料电池领域的一个研究热点。目前为止，最接近应用的中高温质子膜体系为聚苯并咪唑/磷酸（PBI/H₃PO₄）体系。然而研究发现，该体系中的聚合物基体PBI在高温条件下具有抗氧化性差的问题，而且磷酸分子在使用的过程中容易流失。

离子液体是一种在室温条件下为液体的盐，具有较好的热稳定性、蒸汽压几乎为零、较高的离子导电率和较宽的电化学窗口等特点。质子型离子液体具有较高的非水质子导电率，可以用于制备中高温质子导电膜的电解质材料。H.Nakamoto等人在《Chem.Commun.》（2007年，第24期，第2539页）报道了[N,N-二乙基甲胺][三氟甲磺酸]离子液体([dema][TfO]离子液体)具有较宽的液态温度，分解温度可达360°C(T_m=-6°C and Td=360°C)，其非水质子导电率可以达到53mScm^-1（150°C）和10mScm^-1（室温），在氢氧燃料电池中的开路电压(OCV)为1.03V。中国发明专利CN10768284A公开了一种全氟型高温质子导体复合膜的制备方法，制备了磷酸掺杂的高温质子导体复合膜Nafion-BMIM/H₃PO₄；中国发明专利CN101619115A公开了一种高温质子交换聚合物膜的制备方法，采用原位微乳液聚合的方法将疏水性树枝状大分子离子液体固定在聚合物膜中。中国发明专利CN101798178A公开了一种制备中高温质子导体材料的方法，该方法采用无机玻璃材料作为基体，添加离子液体以获得离子导电率。Savitha Thayumanasundaram等人在《Electrochimica Acta》（2011年，第56期，第1690页）报道了制备了一种基于Nafion,SiO₂颗粒和三乙胺/三氟甲磺酸离子液体（triethylammonium trifluoromethanesulfonate ionic liquid）的中高温质子导电膜。

采用在聚合物基体中直接添加离子液体的方法制备的中高温质子导体具有离子液体含量高时机械强度差、离子液体含量低时离子导电率差的问题。然而通过普通的无机颗粒增强（如SiO₂、TiO₂、Al₂O₃等）并不能有效解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种中高温质子导电率好、机械强度高的有机/无机复合中高温质子导电膜的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种有机/无机复合中高温质子导电膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）将全氟磺酸树脂、介孔二氧化硅颗粒、溶剂按质量比为100:5~70：100~2000混合，形成悬浮液；

（2）将上述悬浮液浇铸在光滑平整的基板上，固化成膜；