[发明专利]一种用于耐高温燃料电池的复合质子交换膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜，具体的说是一种耐高温燃料电池的复合质子交换膜的制备方法，属于燃料电池领域。 

技术背景

质子交换膜（Proton exchange membrane, PEM）作为质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane Fuel Cells, PEMFCs）中的关键部件之一,其在PEMFCs中起到隔离燃料和氧化剂、传导质子的作用，同时还作为电解质和电极活性物质的基底材料，因此它的性质决定了电池的构造和运行的主要技术特征和性能其性质直接决定着燃料电池的性能；因此，燃料电池的性能和使用寿命与质子交换膜的性质有着很大的关系，PEM应该满足下列以下一些要求： 

(l) 直接甲醇燃料电池使用的质子膜需要有低的甲醇渗透系数,从而避免电极局部过热以及催化剂的毒化；

(2) 较高的质子传导能力；

(3) 具有良好的化学和电化学稳定性,如能耐化学腐蚀、耐氧化、耐热,不易被降解失效与变形,以保证电池的长期稳定运行；

(4) 良好的机械性能与柔韧性,可以与电极催化剂良好的相容,有利于制备高效的MEA；

(5) 产品原料容易获得, 可加工性好，较容易大规模量化生产,以降低生产成本。

燃料电池广泛的应用逐渐成为现实正是得益于于材料技术的不断发展,特别是质子交换膜技术的发展，因此，研究开发出新型质子交换膜材料将更进一步促进燃料电池的产业化以及更加实用化。 

目前已经商业化应用的质子交换膜的典型例子是以杜邦公司开发的Nafion膜为代表的全氟磺酸类质子交换膜；其他商业化应用的质子交换膜还有美国Dow Chemic公司研究生产的DOW膜，日本AsalliGlasS公司的Flemion 膜等；虽然，全氟磺酸膜是目前已普遍应用于H₂/O₂质子交换膜燃料电池中，并且表现出不错的性能，但是其本身具有的缺点严重限制了它的商业化应用，主要体现在以下几个方面： 

（1）高温低湿条件下（高于80℃）运转时，由于膜的相对湿度下降导致其质子传导率大幅下降；

（2）燃料的渗透系数较高，特别是用甲醇作为燃料时，使得燃料大量损失，而且甲醇穿透膜到达阴极会降低开路电压，大大缩短燃料电池的使用寿命和效率；

（3）价格高；

（4）加工困难。

因此，研制在高温条件下具有高的质子电导率和低成本的质子交换膜材料对于降低膜成本、促进燃料电池的商业化的进程具有极其重要的意义。 

聚苯并咪唑（PBI）具有优异的热稳定性、化学稳定性和机械稳定性，因此引起了研究人员的广泛关注；然而，PBI本身具不具备质子传导的能力，因此单纯的PBI并不能用于制备质子交换膜。向PBI中引入磷酸，即制备磷酸掺杂型PBI膜可以提高PBI的质子传导率(参见文献：Progress in Polymer Science，2009，34，449-477）；然而， 磷酸掺杂型PBI膜在使用过程中磷酸会渗漏流失，导致质子交换膜的性能下降，有文献报道(J. Mater. Chem., 2012, 22, 18411-18417)，在PBI中掺杂纳米粒子（SiO₂等）可以在一定程度上抑制磷酸的渗漏流失，然而，该报道中的单分散纳米粒子制备过程比较复杂，并且纳米粒子抑制磷酸渗漏的能力受限于纳米粒子的掺杂量，纳米粒子掺杂量越大，抑制磷酸渗漏的效果越好，但是掺杂过量会导致复合膜的机械性能下降，并且，该复合膜吸附磷酸的能力有待进一步提高。 

发明内容

本发明的目的是提供一种用于燃料电池的硅纳米颗粒掺杂的PBI耐高温复合质子交换膜的制备方法。 

为了达到上述目的，本发明具体方案是，一种用于燃料电池的硅纳米颗粒掺杂的PBI中高温复合质子交换膜的制备方法，具体包括以下步骤：