[发明专利]一种复合质子交换膜的制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，涉及一种复合质子交换膜的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置，它不受卡诺循环限制，具有较高的转化率，以其能量密度高，低污染等优点成为未来理想的动力能源。其中质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembranesFuelCell，PEMFC)以其高效、节能和环保等显著优点被广泛的运用于发电站、移动电源和汽车等领域。根据工作温度的不同，质子交换膜燃料电池可分为低温PEMFC(＜100℃)和高温PEMFC(100℃-200℃)。目前，以全氟磺酸PEMFC为代表的低温PEMFC已经商业化，然而全氟磺酸PEMFC以水作为其传导质子的介质，当工作温度超过80℃后因水分的缺失导致电导率急剧降低，降低电池工作性能，当温度继续升高，PEMFC随之分解，失去电池工作性能。其次在此温度范围内工作，催化剂容易被CO等燃料中所含的杂质毒化。因此发展高温PEMFC来拓宽电池工作温度范围具有较大的研究意义。

PEMFC的核心是质子交换膜(ProtonExchangeMembrane，PEM)，PEM作为固体电解质起到了传递质子，分隔燃料和氧化剂的多重作用，还要保证外路电子和气体不能通过和正常工作环境下保持结构不变，所以膜材料的使用温度一般决定了电池最终的工作温度。目前，根据膜材质的不同可分为全氟磺酸膜(Nafion膜)，非氟化膜，固体酸膜和有机无机复合膜等。其中有机无机复合膜是无机成分和有机聚合物组合而成的PEM的一种统称，是以有机聚合物为基底掺杂无机质子导体复合而成的，最大程度的利用了无机物和有机聚合物各自的优点，具有较大的运用前景。对于PEM的研究不仅仅在于选材，制备PEM的工艺也是一个研究的重要方向。复合质子交换膜的制备方法有共混法、溶胶凝胶法、原位聚合法、表面修饰法和穿插法等。由于一些制备复合膜工艺的不完善，使有机聚合物和无机组分分散的均匀性不高，从而影响了复合膜的结构与性能。

发明内容

内容之一，本发明涉及一种运用于高温PEMFC中的复合PEM的热压制备方法。PEM性能的好坏，首先与有机聚合物和无机质子导体的本身性能、材料之间的宏观比例有关，其次与膜材料的微观结构，比如有机颗粒与无机颗粒的分散性，颗粒尺寸，膜的厚度，膜表面的孔隙度等有关。此发明方法包括：(a)提供一种无机复合质子导体的制备。(b)将有机聚合物和无机复合质子导体均匀有效混合。(c)提供一组有机聚合物和无机复合质子导体之间较优配合比参数。(d)通过热压法制成复合膜。(e)提供相应的热压方法和参数。热压成膜时，复合膜原材料的配合比，热压温度，时间和压力的不同，对压制成的膜的外观结构及性能都有很大的影响，合适的配合比和热压条件参数可以消除成膜的皱缩、裂纹、不均匀等缺陷。

制备成功的复合质子交换膜装入一个膜电极组件(MembraneElectrodeAssembly，MEA)制成单电池后，将单电池装入型号为5620-F燃料电池性能测试系统中，在温度145℃，阳极O₂，阴极H₂，测试条件下进行测试。

附图说明

图1：实施例1的单电池极化曲线

图2：实施例2的单电池极化曲线

图3：实施例3的单电池极化曲线

图4：实施例3的膜的图片

图5：实施例4的单电池极化曲线

详细描述

如下制备一种复合PEM：将无机复合质子导体与有机聚合物经过均匀混合后热压成膜。