[发明专利]一种膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种膜，具体而言，涉及一种无机-有机质子交换膜及其制备方法。

背景技术

迄今为止已经开发出各种各样的膜，例如，反渗透膜(0.0001～0.005μ m），纳滤膜(0.001～0.005μm），超滤膜(0.001～0.1μm），微滤膜(0.1～1μm）、电渗析膜、渗透气化膜、液体膜、气体分离膜、电极膜、质子交换膜等。他们对应不同的分离机理，不同的设备，有不同的应用对象。膜本身可以由聚合物、无机材料或液体制成，其结构可以是均质或非均质的，多孔或无孔的，固体的或液体的，荷电的或中性的。膜的厚度可以薄至几个微米，厚至几毫米。不同的膜具有不同的微观结构和功能，需要用不同的方法制备。制膜方法一直是膜领域的核心研究课题，也是各公司严格保密的核心技术。其中，质子交换膜(Proton Exchange Membrane Fuel，PEM)是PEMFC的核心部件，PEM与一般化学电源中使用的隔膜有区别。质子交换膜燃料电池已成为汽油内燃机动力最具竞争力的洁净取代动力源。

众所周知，能源问题一直受到全世界的关注，开发新能源已经成为各个国家发展的一个主要部分。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。燃料电池有很多种类，其中质子交换膜燃料电池（Polymer Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）具有低温快速启动、比能量高、无噪音、无污染等诸多优点，被作为电动汽车和可移动小型供电系统的理想能源，电子设备的不间断电源、分散型电站、航天和军事装备电源、公共场所应急电源等，其广阔的应用前景正成为世界各国的研究热点之一。在PEMFC的基础上，以甲醇代替纯氢直接作为燃料，可以大大简化系统，这种燃料电池称为直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell,DMFC）。DMFC具有体积小、重量轻、燃料来源丰富、价格便宜、储存携带方便等优点，是理想的汽车动力源。

质子交换膜（Proton exchange membrane，PEM）是质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）和直接醇类燃料电池（包括DMFC和DEFC）的核心部件之一，其作用是：（1）分隔阳极和阴极，阻止燃料和空气（氧气）直接混合发生化学反应；（2）传导质子，质子电导率越高，膜的内阻越小，燃料电池的效率越高；（3）电绝缘体，阻止电子在膜内传导，电子由阳极通过外线路向阴极流动，产生外部电流供人们使用。通常，燃料电池用PEM材料必须满足以下要求：（1）低成本；（2）高质子传导率；（3）良好的力学强度（抗溶胀）和尺寸稳定性；（4）优异的化学稳定性和电化学稳定性；（5）很低的气体或甲醇渗透率；（6）与催化剂层匹配；（7）长期使用稳定。质子交换膜的性能将直接影响PEMFC与DMFC的电池性能、能量转换效率和使用寿命。

目前，使用最多的质子交换膜是美国杜邦公司生产的Nafion膜，具有低温质子导电率高和化学稳定性好的优点。但它仍存在着一些缺点：1）这种膜强烈地依赖水为传导介质，在工作温度超过100℃时，由于膜内水分蒸发造成质子传导性能急剧下降，只能在低温（80℃）以下、高湿度（40%RH）以上使用。目前，组装PEMFC与DMFC广泛采用Nafion膜，因此需要外加庞大的增湿设备降低电池温度；2）当在80℃以下的温度下工作时，存在严重的CO对催化剂的毒化问题，而且对于DMFC而言，对甲醇和水的选择通过性差，阻醇性能差，在使用时40％以上的甲醇会透过该膜，这就降低了电池性能和燃料利用率，不适合用作直接甲醇燃料电池(Directmethanol fuel cell，DMFC)的PEM，同时甲醇通过Nafion膜的渗透所引起的阳极性能衰减是限制DMFC发展的主要问题。因此，由Nafion引起的这系列难题使能用于较高温度(T>100℃)、阻醇率高的新型质子交换膜的开发研究势在必行。

发明内容

针对现有技术中燃料电池中使用的膜在工作温度超过100℃的情况下质子电导率较低的问题，本发明提供了一种在中低温下具有高导电率的膜及其制备方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种制备膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

a）将CsHSO₄和介孔Al₂O₃混合得到混合物；

b）将混合物与聚偏氟乙烯溶液混合制成混合液；以及

c）使用涂布工艺将混合液制备成膜。