[发明专利]一种用于燃料电池的两性离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于燃料电池的两性离子交换膜，所述两性离子交换膜以聚乙烯醇与全氟磺酸树脂构成膜基体、阴离子交换树脂以颗粒形式嵌在膜基体、羟基氧化镍负载在阴离子交换树脂颗粒内。本发明还公开了该两性离子交换膜的制备方法，包括将羟基氧化镍负载在阴离子交换树脂颗粒内、制备以聚乙烯醇与全氟磺酸树脂构成膜基体的凝胶、以及形成阴离子交换树脂以颗粒形式嵌在膜基体的凝胶，进一步形成两性离子交换膜，制备过程中通过测算基体膜的阳离子电导率s_阳和阴离子交换树脂颗粒的阴离子电导率s_阴来控制两者的添加比例。本发明制得的两性离子交换膜，克服了阴离子交换膜低离子传导率和燃料渗透问题，同时还克服质子交换膜必须使用贵金属为催化剂的问题。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及聚合物电解质膜燃料电池中离子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池作为一种将化学能转换为电能的特殊装置，由于具有能量转换效率高、低污染、储能物质选择范围宽、低噪音等多种其他能量发生装置不可比拟的优越性，被认为是最有希望的、环境友好的新型化学电源之一。其中，聚合物电解质膜燃料电池具有快速启动和对负荷变化的快速响应等优点，受到越来越多的关注，成为了最近的研究热点。

聚合物电解质膜燃料电池以聚合物电解质膜为固体电解质，起到分割阴阳两极及传导质子（H⁺）或氢氧根离子（OH^-）的作用，是聚合物电解质燃料电池中的一个关键部件。聚合物电解质膜的性能好坏对聚合物电解质膜燃料电池的发电性能起到了决定性的作用，因而高性能聚合物电解质膜的研究与开发就显得尤为重要。

聚合物电解质膜燃料电池通常根据传导离子的不同，可分为使用质子交换膜的酸性聚合物电解质膜燃料电池和使用碱性阴离子交换膜的碱性聚合物电解质膜燃料电池。目前，商业化的质子交换膜如美国杜邦公司生产的Nafion膜，由于具有高导电率、优良的化学、电化学及机械稳定性，是目前商业应用于燃料电池中最多的聚合物电解质膜。但是Nafion膜制备工艺复杂、价格高昂、制备过程对环境造成危害、必须使用贵金属催化剂等问题，限制了质子交换膜燃料电池进一步的商业化使用。而另一方面，相对于质子交换膜燃料电池，碱性阴离子交换膜燃料电池具有一系列独特优点：由于其碱性环境，燃料电池具有更快的反应动力学、可以使用非贵金属催化剂以及便于运输的甲醇或乙醇等有机燃料。然而碱性阴离子交换膜也存在离子传导率低和燃料渗透严重两大缺点。

因此，研究一种兼具质子交换膜和阴离子交换膜优点，且克服质子交换膜和阴离子交换膜缺点的新型离子交换膜对聚合物电解质膜燃料电池的发展有重要意义。

发明内容

针对上述所提出质子交换膜和阴离子交换膜存在的优点和缺点，本发明旨在提供一种两性离子交换膜，既能克服阴离子交换膜低离子传导率和燃料渗透问题，同时，还能克服质子交换膜必须使用贵金属为催化剂的问题。

制备本发明的两性离子交换膜的构思如下：以聚乙烯醇（PVA）和全磺酸树脂为基体构成基体膜，将具有阴离子交换功能和燃料催化功能的颗粒嵌于基体膜，形成同时具有质子交换和阴离子交换功能、且能够防止阳极燃料渗透问题的两性离子交换膜。