[发明专利]一种质子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种质子交换膜及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池由于其具有高能量密度、高能量转化效率、易操作以及对环境友好等优点受到了广泛关注。作为其重要的组成部分质子交换膜，必须在有一定水分存在的条件下，才能保证燃料电池工作，因此需要质子交换膜必须具有一定的保湿能力。

现在普遍采用的保湿方式按与电堆的集成紧密程度可分为外增湿和内增湿两类：外增湿是将增湿子系统与电池分开，在反应气体进入电池之前增湿；内增湿是将增湿子系统与电池集成为一体，在反应气体进入电池之后进行增湿。

自增湿的燃料电池在结构上省去了复杂的增湿系统，结构简单、体积小、重量轻，这类燃料电池较适用于移动电子设备电源、便携式应急电源和低速运输工具等方面，更易实现产业化，因此燃料电池多采用自增湿方式。

为了增强具有自增湿能力的质子交换膜的自湿能力，目前主要的研究工作集中在了对质子交换膜进行改性，如纳米级的SiO₂、TiO₂或他们的混合物掺杂在质子交换膜溶液中重铸成膜，但是，由于纳米金属氧化物的颗粒直径小，比表面积大，表面能较高，颗粒之间容易在溶液中团聚成高达微米级的团聚体，且所形成的的团聚体也不能被有效的分散开，纳米金属氧化物的分散不均匀性一方面会影响溶液的稳定性和流变性能，另一方面也使得制备出的质子交换膜的电导率分散不均匀，电导率变化大，影响了生成的化学合成水在质子交换膜表面的分布，从而对电池的一致性及电化学性能都有较严重的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种质子交换膜及其制备方法，以解决上述的问题。

本发明实施例提供了一种质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

(A)将质子交换膜树脂溶解在有机溶剂中得到质量浓度为1-20％的混合溶液；

(B)将纳米金属氧化物、表面活性剂依次加入所述混合溶液中，搅拌均匀得到质子交换膜溶液；其中所述纳米金属氧化物与所述质子交换膜树脂的质量比为0.1:1-0.1:100，所述表面活性剂的加入量为所述纳米金属氧化物与所述质子交换膜树脂的质量之和的0.1-5％；

(C)将质子交换膜溶液流延成膜或者将质子交换膜溶液浇铸到多孔薄膜内形成均匀的质子交换复合膜。

本发明实施例采用的质子交换膜的制备方法，加入了具有保水能力的金属氧化物，并通过添加表面活性剂有效的防止了纳米颗粒团聚，制备出的质子交换膜更加均匀，且由于使纳米金属颗粒分散性更好进而增强了质子交换膜的保水能力，自湿能力提高，由其组装出的电池电化学能力也比较好。

纳米金属氧化物与质子交换膜树脂以及表面活性剂的加入量，这三种物质的比例有严格的控制才能使表面活性剂起到有效防止纳米颗粒团聚的作用，制备出的质子交换膜均匀性更好且自湿效果好。

优选地，所述质子交换膜树脂为全氟磺酸树脂、磺化聚芳醚砜、磺化聚醚醚酮、氟化磺化聚苯乙烯、氟化磺化聚芳醚砜以及氟化磺化聚芳醚酮的一种或几种，这几种质子交换膜树脂均有耐热性能好、化学稳定性和机械强度高等特点，比较常用且成本低。

优选地，所述纳米金属氧化物为SiO₂、TiO₂、ZrO₂、磺化处理过的SiO₂、磺化处理过的TiO₂以及磺化处理过的ZrO₂中的一种或几种，这些纳米金属氧化物的保水能力好，改性后的质子交换膜的自湿性能提升。

优选地，所述纳米金属氧化物的粒径均在30-50nm，为了保证质子交换膜具有一定的保水能力，纳米颗粒度有严格的控制以使得保水能力最强。

优选地，所述多孔薄膜为聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、聚丙烯膜、聚砜膜或聚酰亚胺膜中的任意一种，这几种多孔薄膜具有耐酸碱耐高温的特点。

优选地，所述有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜以及1-甲基-2-吡咯烷酮中的一种或几种，这几种有机溶剂溶解效果好，混合后均匀。

优选地，所述表面活性剂为萘酚聚氧乙烯醚、苯乙烯-马来酸酐树脂、聚乙烯吡咯烷酮和十二烷基苯磺酸钠中的一种或几种，这几种表面活性剂常用且分散效果好。

优选地，所述步骤(B)与步骤(C)之间还包括如下步骤：将所述多孔薄膜用无水乙醇和双氧水的混合溶液进行清洗后用去离子水冲洗干净，再用无水乙醇和硫酸的混合溶液清洗后用去离子水冲洗干净后烘干，多孔薄膜在使用前需要先进行除杂，排出杂离子的干扰避免影响质子交换膜的性能。